Ioonvõre

Allikas: Vikipeedia
Heksagonaalne ja kuubiline tihepakend

Ioonvõre ehk iooniline kristallivõre ka kristallivõre, kus võre keskmetes (sõlmpunktides) asuvad ioonid.

Vastasmärgiliste laengutega ioonide vahel esineva elektrostaatilise tõmbumise tõttu moodustub ioonidest ioonkristall – kristall, mis koosneb vastaslaengutega ioonidest. Kristallivõre keskmetes asuvad ioonid moodustavad korrapärase ruumilise struktuuri – ioonilise kristallivõre ehk ioonvõre.

Tihepakend[muuda | muuda lähteteksti]

Kristallivõre moodustumisel paigutuvad ioonid lähtuvalt minimaalse energia printsiibile ehk ioonid püüavad paigutuda võimalikult tihedalt ning tekib nn ioonide tihepakend. See tähendab, et ioonid hõivavad ruumala võimalikult maksimaalselt. Ühes kihis on ruumihõivmine suurim, kui iga ioon on ümbritsetud kuue teise sama raadiusega iooniga. Teise kihi ioone on ruumiliselt soodsam paigutada esimese kihi tühimikkesse,et nende kihtide vahele jääks võimalikult vähe ruumi. Kui kolmanda kihi ioone paigutada esimese kihi kohale, tekib heksagonaalne tihepakend ning saame struktuuri ...AB AB AB AB.... Kui kolmanda kihi ioonid paigutuvad teise kihi tühimikkesse, tekib kuubiline tihepakend, mille struktuur on ...ABCABC.... Mõlema tihepakendi korral hõivavad sfäärikujulised ioonid ca. 74% ruumist ning iooni koordinatsiooni arv 12.

Kristallvõretüübid[muuda | muuda lähteteksti]

Kivisoola (NaCl) kristallvõre[muuda | muuda lähteteksti]

NaCl kristallvõre

Soola valem MX, M ja X koordinatsiooniarv on sama. NaCl (kivisool) on looduslikult kuubiline kristall, mis on puhtana värvitu või valge. Na+ ja Cl- ioonid hõivavad ruumi vastavalt kuubilisele tihepakendile (ccp). Suuremad Cl- ioonid defineerivad ccp korrapära ning Na+ ioonid okupeerivad oktaeedrilisi auke. Igal Na+ on ümbritsetud kuue Cl- iooniga ja Cl- ioon on ümbritsetud kuue Na+ iooniga. Seega kristallvõre koordinatsioon on 6,6. Antud struktuuri saab kirjeldada ka nii, et Na+ ioonid on nurkades ja Cl- ioon tsentris. Mistähendab, et Na+ ioonid on samuti ccp korrapäraga ning NaCl kristallvõret saab kirjeldada kui kaks põimunut ccp kristallvõret, millest üks koosneb Na+ ioonidest ja teine Cl- ioonidest. Paljude ühendite seas võtavad NaCl kristallvõre kuju NaF, NaBr, NaI, NaH, Li, K ja Rb halogeniidid CsF, AgF, AgCl, AgBr, MgO, CaO, SrO, BaO, MnO, CoO, NiO, MgS, CaS, SrS ja BaS.

CsCl kristallvõre[muuda | muuda lähteteksti]

CsCl kristallvõre

Moodustub ühendites, kus anioon ja katioon on sarnaste mõõtmetega. Ioonid hõivavad ruumi vastavaltkuubilisele tihepakendile. CsCl kristallvõres on iga ioon ümbritestud 8 teise vastasmärgilise iooniga ehk igat Cs+ iooni ümbritseb 8 Cl- iooni ja igat Cl- iooni ümbritseb 8 Cs+ iooni. Seega on tegemist 8,8-koordinatsiooniga. Nagu NaCl kristallvõre korral, saab ka CsCl kristallstruktuuri vaadelda kui kaks põimutut ccp kristallvõret. CsCl struktuur on suhteliselt vähe levinud, CsCl kristallvõret võtavad CsBr, CsI, TlCl ja TlBr.

ZnS kristallvõre[muuda | muuda lähteteksti]

Sfaleriit[muuda | muuda lähteteksti]

Sfaleriidi kristallstruktuur
Sphalerite Kristallstruktuur.

Kuubiline tihepakend, mille moodustavad anioonid ja katioonid asuvad pooltes üht tüüpi tetraeedrilistes tühimikes. Iga ioon on ümbritsetud nelja naaberiooniga ehk on tegu (4,4)-koordinatsiooniga. Sama struktuuri võtavad CdCl, CdS, HgS.

Wurtsiid[muuda | muuda lähteteksti]

Wurtsiidi kristallstruktuur

Heksagonaalne tihepakend, kus katioonid asuvad sarnaselt sfaleriidile pooltes üht tüüpi tetraeedrilistes tühimikes. Iga ioon on ümbritsetud nelja naaberiooniga ehk on tegu (4,4)-koordinatsiooniga. Sama struktuuri võtavad ZnO, AgI ja SiC ühes polümorfis.

CaF2 kristallvõre[muuda | muuda lähteteksti]

Soolades, mille valem on MX2. CaF2 kristallvõrel on kuubliline tihepakend ning esineb mineraalsesfluoriidis. Iga katiooni ümbritseb 8 aniooni ja iga aniooni ümbritseb 4 katiooni ehk tegemist on (8,4)-koordinatsiooniga. CaF2 kristallvõrevõtavd II.rühma metallide fluoriidid, BaCl2 ja f-metallide dioksiidid.

TiO2 kristallvõre[muuda | muuda lähteteksti]

Mineralne rutiil esineb graniidikivimis ning see on peamine TiO2 allikas.TiO2-l on heksagonaalne tihepakend. Titaani koordinatsiooni arv on 6 ja hapniku koordinatsiooniarv on 3,ehk (6,3)-koordinatsioon. Rutiili struktuuri võtavad SnO2, MnO2, PbO2.

CdI2 kristallvõre[muuda | muuda lähteteksti]

Paljud ühendid valemiga MX2 moodustavad nn kihilist kristllvõret. CdI2 on heksagonaalne tihepakendatud struktuur, kus I- ioonid on heksagonaalse korrapäraga ning Cd2+ ioonid hõivavad oktaeedrilisi tühimikke igas teises kihis. CdI2 kristallvõret võtavad MgBr2, MgI2, CaI2, paljude d-metallide jodiidid ja paljude metallide hüdroksiidid.

Perovskiidid[muuda | muuda lähteteksti]

Perovskiid, CaTiO3 sai oma nime vene mineroloogi L.A. Perovski järgi, kes avastas seda 1839. aastal. Ühendid, mille kristallstruktuur on sarnane CaTiO3-le nimetatakse perovskiidideks. Ideaalis kuubilise ABX3 perovskiidi kristallstruktuuri saab kujutada kui kuubi nurkades asuvad BX6 oktaeedrid, ning katioon A asub kaheksa oktaeedri moodustatud kuubi keskel. Huvi perovskiidide vastu tõstab nende erinevad omadused ning nende võime hallata peaaegu kõiki elemente perioodilisustabelis. Deformeeritud struktuuriga perovskiitidel on sümmetria madalam, mis mängib olulist rolli nende magneetiliste ja elektriliste omaduste tekkes. Nende omaduste tõttu on perovskiididel suur tööstuslik tähtsus.

Võreenergia[muuda | muuda lähteteksti]

Võreenergia on energia, mis vabaneb gaasifaasis olevate ioonide moodustumisel tahkiseks. Soola MXn korral võreenergia vastab reaktsioonile:

Võreenergia määramisel eeldatakse, et

  • Ioontahkises on ioonievahel ainult elektrostaatilised jõud
  • Ioontahkises on ioonid punktlaengud.

Coulombi tõmbumine[muuda | muuda lähteteksti]

Isoleeritud ioonpaari korral[muuda | muuda lähteteksti]

Kahe vastaslaenguga iooni liitumisel

Coulumbi tõmbumine on avaldatu kujul:

Kus ΔU on siseenergia muut, |z+| ja |z-| vastavalt katiooni ja aniooni laeng, e on elektronilaeng (e=1,602x 10-9 C), ε0 dielektriline konstant vaakumis ning r ioonide tuumade vaheline kaugus.

Kristallvõre korral[muuda | muuda lähteteksti]

Soolas MX, millel on NaCl kristallvõre,on iga Mz+ ioon ümbritsetud

  • 6 Xz- iooniga kaugusel
  • 12 Mz+ ioonga kaugusel
  • 8 Xz- iooniga kaugusel
  • 16 Mz+ ioonga kaugusel jne.

Gaasilise Mz+ iooni kristallvõresse ülemineku siseenergia muut väljendub

Laengute suhe on antud tüüpi struktuuri korral konstantne ning nurksulgudes olevad seeriad, on antud kristallgeomeetriat kirjeldav funktsioon. E. Madelung arvutas need seeriad erinevate kristallvõrede jaoks, saadud väärtuseid nimetatakse Madelungi konstantideks.

Kasutades Madelungi konstanti saab üleval olevat valemit viia lihtsamale kujule

kus L on Avogadro arv (6,022x1023 mol-1) ja A on Madelungi konstant.

Vaata ka[muuda | muuda lähteteksti]