Kristallchemie. Atome Ionen Moleküle Chemische Bindungen

Transkript

1 Zirkon

2 Kristallchemie Atome Ionen Moleküle Chemische Bindungen

3 Bohr sches Atommodell Kernteilchen: p: Proton n: Neutron Elektronenhülle: e - Elektron Nukleus: Massenzahl A = p + n, Ordnungszahl Z = p = e- Elektronen kreisen um den Kern, bestimmen die Grösse des Atoms, Atomradien liegen im Bereich von Angstrom Die Zahl und Anordnung der Elektronen in der Elektronenhülle bestimmt die chemische Eigenschaften des Atoms

4 Elektronegativität Mass für die Tendenz eines Atoms, in einer chemischen Bindung Bindungselektronen an sich zu ziehen Elemente mit hoher Elektronegativität im Periodensystem rechts oben (z.b. Halogenide, Sauerstoff,...) Elemente mit niedriger Elektronegativität im Periodensystem links unten (z.b. Alkaliund Erdalkalimetalle,...)

5 Metalle, Metalloide, Nichtmetalle Metalle: E-neg < e - Abgabe Kationen Nichtmetalle: E-neg > e - Aufnahme Anionen Metalloide: B, Si, Ge, As, Sb, Te, Po Kationen / Anionen

6 Chemische Bindungen phänomenologische Modelle Ionische Bindung Kovalente Bindung Metallische Bindung Van der Waals Bindung Wasserstoff Brückenbindung

7 Ionische Bindung volkommener Ladungstransfer Kationen und Anionen Elektrostatische Bindung z.b. Elemente der 1.und 7. Hauptgruppe NaCl, KCl, CsF

8 Ionische Bindung Steinsalz (Halit) Halit Cl Na Cl Cl Cl

9 Kovalente Bindungen Elektronegativitätsdifferenz sehr klein oder null (z.b. Elementmoleküle: H 2, O 2. N 2, F 2 ; organische Verbindungen; Graphit, Diamant, elementarer Schwefel Realgar-As 2 O 3 ) Zum Erreichen der Edelgaskonfiguration teilen die beteiligten Atome ihre ungepaarten Elektronen in einem gemeinsamen Pool - überlappende Orbitale - was zu einer starken anziehenden Wechselwirkung (kovalente Bindung) führt.

10 Kovalente Bindung - Diamant Hybrid Orbitale Kohlenstoff: Fig 8-8 of Bloss, Crystallography and Crystal Chemistry. MSA 1s 2s 2p 1s 2(sp 3 ) C-C-C angle = 109 o 28

11 3 2(sp 2 ) Hybridorbitale: koplanar & 120 o Winkel Graphit Struktur Fig 8-8 of Bloss, Crystallography and Crystal Chemistry. MSA

12 Metallische Bindungen Bindungselektronen sämtlicher Atome (nicht nur die der nächsten Nachbarn) in einen gemeinsamen Topf ( See ) Elektronen können sich darin zwischen den Metallatomen frei bewegen Elektronengas, verantwortlich für die hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit von Metallen

13 Van der Waals Bindungen Schwächste Bindung Normalerweise zwischen neutralen Molekülen (auch grosse, wie etwa Graphitschichten) Stimuliert durch polare kovalente Bindungen Auch A-A Bindungen wie etwa O 2 oder Cl 2 werden bei tiefen Temperaturen polar und kondensieren zu Flüssigkeiten und schliesslich zu geordneten Festkörpern - Molekülkristalle cov VdW kondensiertes Cl

14 Kugelpackungen Ionen koennen in erster Näherung als Kugeln betrachtet werden Anionen sind in der Regel größer als Kationen Anionen sind im wesentlichen in Form einer dichtesten Kugelpackung angeordnet Kationen sitzen in den Lücken zwischen den Anionen Viel Kristallstrukturen können aus der dichtesten Kuglepackung der Anionen abgeleitet werden

15 Dichteste Kugelpackung Gleichgroße Kugeln Closest Packed Hexagonale Anordnung: 6 nächste Nachbarn in der Ebene Zwei Möglichkeiten eine nächste Kogellage zu plazieren 2 1

16 Zweite Lage (rot) Dichteste Kugelpackung 1

17 Dritte Lage Dichteste Kugelpackung Auf selbe Position wielagea, d.h. nicht über die verbliebenen Lücken A-B-A-B hexagonal dichteste Packung (HCP) Koordinationszahlr (nächste Nachbarn) = 12 6 koplanar 3 oberhalb 3 unterhalb

18 Dritte Lage Dichteste Kugelpackung A-B-A-B hexagonal dichteste Packung (HCP) Koordinationszahlr (nächste Nachbarn) = 12 6 koplanar 3 oberhalb 3 unterhalb

19 Dichteste Kugelpackung Blick von oben zeigt hexagonale Einheitszelle

20 Alternativ kann die dritte Lage auf die Position gelegt werden, die sowohl in A als auch in B eine Lücke ist Dichteste Kugelpackung

21 Dichteste Kugelpackung Dritte Lage: Wenn auf C-Platz Abfolge A-B-C-A- B-C kubisch dichteste Packung (CCP) Atome der blauen Lage in neuer Position Lücken in Lage A und B

22 Dichteste Kugelpackung Dritte Lage: Wenn auf C-Platz Abfolge A-B-C-A- B-C kubisch dichteste Packung (CCP) Atome der blauen Lage in neuer Position Lücken in Lage A und B

23 Dichteste Kugelpackung - Einhetiszelle Schräge Sicht von oben zeigt die Flächenzentrierte kubische Einheitszelle. C-layer A-layer B-layer A-layer

24 Die Lücke im im Zentrum eines Oktaeders aus dichtest gepackten Anionen bietet Platz für ein Kation

25 Was ist das limitierende Radienverhältnis R K /R A?? = d K + d A = 2 = 1 wenn d A = 1 dann d K = d K /d A = R K /R A = 0.414/1 = 0.414

26 Die Lücke im im Zentrum eines Tetraeders aus dichtest gepackten Anionen bietet Platz für ein Kation.

27 Limitierendes R K /R A?? Abstand Zentrum-Ecke in Tetraeder mit Kantenlänge 1.0 = R K = = R K /R A = /0.5 = 0.225

28 Zusammensetzung der Erdkruste Gew. % Atom % Ionenradius Vol. % O Si Al Fe Ca Na K Mg Total Sauerstoff: : 94 vol. % der Kruste Kruste (und ihre Bestandeile die Minerale) sind eine dichte Sauerstoffpackung mit Kationen in den Lücken

29 Ionenradien Atome/Ionen - keine starren Kugeln - Ionenradien von Koordinationszahl abhängig

30 Kation/Anion KZ r eff (Å) Kation/Anion KZ r eff (Å) Al 3+ IV 0.39 Fe 2+ IV 0.63 VI 0.39 VI 0.75 Ba 2+ X 1.52 Fe 3+ IV 0.49 XII 1.61 VI 0.55 Be 2+ IV 0.27 K 1+ VII 1.46 C 4+ IV 0.15 X 1.59 Ca 2+ VI 1.00 XII 1.64 VII 1.06 Mg 2+ IV 0.57 VIII 1.12 VI 0.72 Cu 1+ II 0.46 Na 1+ VII 1.12 IV 0.60 XII 1.39 VI 0.77 O 2- III 1.36 Cu 2+ IV 0.57 P 5+ IV 0.17 VI 0.73 S 2- VI 1.84 F 1- II Si 4+ IV 0.26 III 1.30 VI 0.40

31 Koordinations polyeder