4. C ấu trúc tinh thể điển hình của vật rắ n
4.3. Mạng tinh thể của vật rắn có liên kết ion
Cấu trúc tinh thể của vật rắn (hợp chất) kiên kết ion phụ thuộc vào hai yếu tố:
- Tỷ số của số lượng ion âm (anion) trên số lượng ion dương (cation) : tỷ số này cố định đối với từng hợp chất, phụ thuộc vào số lương điện tử tham gia liên kết, đảm bảo tính trung hịa về điện của hệ thống;
- Tương quan kích thước giữa anion và cation; liên kết ion là loại không định hướng, vì vậy trong mạng tinh thể, các ion ln có xu hướng sắp xếp để đạt độ xếp chặt và tính đối xứng cao nhất.
Sau đây nêu một số kiểu mạng điển hình.
4.3.1.. Mạng tinh thể hợp chất dạng MX
Xét mạng tinh thể của NaCL và CsCL (hình 1.15). Mạng tinh thể NaCL
( kiểu B1) tạo nên trên cơ sở mạng lptm của anion Cl- và ngược lại. Tỷ số các
ion Cl- trên số ion Na+ luôn luôn bằng 1. Khác với mạng NaCl, mạng tinh thể
của CsCl (kiểu B2) được tạo nên trên cơ sở mạng lập phương đơn giản của ion
CL- , ion Cs+ nằm ở lỗ hổng khối lập phương (ở tâm khối lập phương)(hình
1..15b), tỷ số lượng ion Cl- trên ion Cs+ luôn là 1 nhưng trong mạng NaCl. Mỗi
ion Cs+bao quanh bằng tám ion Cl-và ngược lại.
Cl Cs
Hình
1.15 Mang tinh thể của hợp chất Mx ; a)NaCl; b) CsCl; C)ZnS
Sự khác nhau về cấu trúc mạng tinh thể giữa NaCl và CsCl (mặc dù Na và CS có cùng hóa trị) là do sự khác nhau về tương quan kích thước giữa các ion
Na+ và Cs+ so với ion Cl- . Tỷ số đó tương ứng là dNa/dCl = 0,91; các ion trong
mạng CsCl sắp xếp theo kiểu B2 sẽ có mật độ xếp MV = 68% cao hơn so với sắp xếp theo kiểu B1 của NaCl (Mv = 53%).
Một mạng tinh thể tiêu biểu khác của hợp chất kiểu MX là của ZnS (kiểu B3). Tạo bởi mạng lptm của các ion S2-
, ion Zn2+ chiếm vị trí trong của mạng kim cương (hình 1.15 c), tỷ số lượng ion ns/nZn= 4/4= , số ion S2-
bao quanh ion Zn2+ bằng bốn và ngược lại.
4.3.2. Mạng tinh thể hợp chất dạng MX2 (hoặc MX2X)
Các điều kiện nX = 2nM và KMX phải luôn luôn được đảm bảo trong mạng tinh thể hợp chất này. Điển hình có ba kiểu mạng sau:
- Mạng tinh thể fluorit CaF2 (kiểu C1), tạo bởi ô cơ sở mạng lptm của
Ca2+ tám ion F- nằm ở tâm của tám hình khối , có thể tính được dễ dàng nF = 2 n-
c8
2+ = 8 và KF-Ca= 2KCa-F = 8, tỷ số 1:2 thỏa mãn;
- Mạng tinh thể cuprit Cu2O (kiểu C3): các ion O2- tạo mạng lptk, bốn ion
Cu+ chiếm vị trí giống như bốn nguyên tử bên trong ô cơ sở kim cương (hình
1.16b). no2 = 2nCu+ = 4; KCu-O = 4, tỷ số 2:1 luôn luôn thỏa mãn;
- Mạng tinh thể cuprit Cu2O (kiểu C4), tạo thành bởi mạng bốn phương
tâm khối của Ti với α = 0.45 nm ; c = 0.29 nm, Các ion O2-
chiếm vị trí mơ tả trên hình 1.16c. Số ion Ti4+ trong ô cơ sở là 1/8x8 + 1 =2, của O2- là 1/2x4 + 2 = 4.Mỗi ion Ti4+ được sáu ion O2-gần nhất bao quanh ( KO-Ti = 6), còn mỗi ion O2-
-
Bảng 1.3. Một số hợpchất ion và cấu trúc mạng tinh thể của chúng Dạng hợp chất Mạng tinh thể của anion Dạng lỗ hổng do cation chiếm Tỷ lệ số lỗ hổng bị chiếm Hợp chất điển hình MX
lptm Khối 4 mặt 1/2 ZnS, SiC, ZnO, CdS
spxc Khối 4 mặt 1/2 ZnS, ZnO
lptm Khối 8 mặt 1 NaCl, MgO, CaO, MnS,
TiC
spxc Khối 8 mặt 1 NiAs, FeS
Lp đơn
giản Khối lập phương 1 CsCl
MX2
lptm Khối 8 mặt 1/2 TiO, CdCl2
lp đơn
giản Khối lập phương 1/2 CaF2, ZnO2
M2X lptm Khối 4 mặt 1 Na2O, Li2O
M2X3 spxc Khối 4 mặt 2/3 Al2O3, Fe2O3, Cr2O3
MNX3 lptm - - BatiO3, SrZnO3
MN2X4 lptm - - MgAl2O4, FeAl2O4