Wiederholung der letzten Vorlesungsstunde. Thema heute: Weitere Grundlegende Ionenstrukturen

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1 Wiederholung der letzten Vorlesungsstunde Einfache Ionengitter, abgeleitet von kubisch-dichten Ionenpackungen: NaCl, CaF 2, Li 2 O, inverse Strukturtypen, ZnS (Zinkblende), Li 3 Bi, Strukturvarianten: FeS 2, SrO 2, K 2 [Pt(CN) 6 ], Einfache Ionengitter, abgeleitet von hexagonal-dichten Ionenpackungen: Wurtzit (hexagonales ZnS), Nickelarsenid (NiAs) Thema heute: Weitere Grundlegende Ionenstrukturen 135

2 Die Cadmiumiodid-CdI 2 -Struktur Hexagonale Elementarzelle, 1 CdI 2 pro Zelle, RG P m1 Basis: 1 Ca auf (0,0,0) und 2 I auf (,, ) und Koordination: Cd: 6 I, oktaedrisch Schichtstruktur! (,, )

3 Die Cadmiumiodid-CdI 2 -Struktur Wrml-7 Vertreter: Di-Halogenide, Di-Hydroxide, Di-Chalkogenide: z.b. PbI 2, FeBr 2, VCl 2, (Mg,Ni)(OH) 2, TiS 2, ZrSe 2, CoTe 2 137

4 Die Rutil-TiO 2 -Struktur Tetragonal primitive Elementarzelle, 2 TiO 2 pro Zelle, RG P4 2 /mnm Basis: 2 Ti auf (0,0,0) und (½,½,½), 4 O auf ±(0.3,0.3,0) und ± (0.8,0.2, ½) Koordination: Ti: 6 O, oktaedrisch, O: 3 Ti, trigonal planar Beispiele: Oxide MO 2 mit M = Ti, Nb, Cr, Mo, Ge, Pb, Sn, Fluoride MF 2 mit M = Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Pb WRML-4 138

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6 Die Rheniumtrioxid-ReO 3 -Struktur Kubisch primitive Elementarzelle, 1 ReO 3 pro Zelle, RG Pm 3 m Basis: 1 Re auf (0,0,0); 3 O auf (½,0,0), (0,½,0), und (0,0,½) Koordination: Re: 6 O, oktaedrisch, O: 2 Re, linear Defekt kubisch-dichte Packung von O (einige O fehlen!) Wrml-5 140

7 In Rheniumtrioxid-Typ kristallisieren: ReO 3, TiOF 2, TiOOHF, MoOF 2, NbO 2 F, NbO 1,25 F 1,75 mit alternierender Kationenverteilung: CaPbF 6 Verwandtschaften Ersetzt man die Re-Atome durch Ti-Atome und fügt in jedes Würfelzentrum ein Ca-Atom ein, so erhält man den Perowskit-Typ. Ähnliche Strukturen mit anderen O-Valenzwinkeln bilden Sc(OH) 3 und In(OH) 3. Im VF 3 -Typ sind die MX 6 -Oktaeder gegeneinander verkippt. Im RhF 3 -Typ schließlich bilden die F-Atome eine hexagonal-dichteste Packung. Im Fe(CN) 3 werden je zwei Fe-Atome durch ein CN-System verknüpft. 141

8 Die Perowskit-CaTiO 3 -Struktur Kubisch-dichte Packung von O + Ca, 1 CaTiO 3 pro Zelle Koordination: Ti: 6 O, oktaedrisch, O: 2 Ti, linear und 4 Ca, quadratisch-planar; Ca: 12 O Ferro- und piezoelektrisches Material Wrml-6 142

9 Beschreibung der Perowskit-Struktur Die Ti-Atome besetzen die Ecken eines Würfels. Auf den Kantenmitten liegen zwischen je zwei Ti-Atomen O-Atome. Im Zentrum des Würfels befindet sich ein Ca- Atom. Die Ti-Atome sind von sechs O-Atomen in Form eines Oktaeders und von acht Ca- Atomen in Form eines Würfels umgeben. Die Ca-Atome sind von acht Ti-Atomen in Form eines Würfels und von zwölf O- Atomen in Form eines Kuboktaeders umgeben. Die O-Atome sind von zwei Ti-Atomen linear und von vier Ca-Atomen quadratischplanar umgeben. Dadurch liegen TiO 6 -Oktaeder vor, die in allen drei Raumrichtungen mit anderen ReO 6 -Oktaedern eckenverknüpft sind. Zwischen jeweils acht dieser Oktaeder liegt ein Ca-Atom. Alternative Beschreibung Die Ca 2+ - und die O 2- -Atome bilden zusammen eine kubisch-dichte Packung, in deren Oktaederlücken die kleinen Ti 4+ -Ionen eingelagert sind. 143

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12 Im Perowskit-Typ (ABO 3 ) kristallisieren: Oxide A=Ca, Sr, Ba; B=Ti, Zr, Hf, Sn, Ce, Tc; z.b. CaTiO 3, BaCeO 3 mit Lücken im O-Teilgitter: SrTiO 2,5, SrVO 2,5-2,7, BaFeO 2,5 A=Lanthanoid, B=Al, Sc, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ga, z.b. LaMnO 3 mit Lücken im Lanthanoid-Teilgitter: La 2/3 TiO 3 Weiterhin: Pb(Sc 0,5 Nb 0,5 )O 3, Pb(Fe 0,5 Nb 0,5 )O 3, La(Me II 0,5 Ru 0,5 )O 3 (wobei Me II =Mg, Ni, Zn), Me II (Ni 0,5 Me VI 0,5 )O 3, (wobei MeII =Sr, Ba; Me VI =W, U, Te; Me V =Nb, Ta, Sb), Me II (Ni 1/3 Me V 2/3 )O 3, (wobei MeII =Sr, Ba), BaMe IV O 3 (wobei Me IV =Th, Pa, U, Np, Pu, Am) Fluoride KBF 3 (wobei B=Mg, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn) Oxidfluoride, z.b. Me I NbO 2 F (wobei Me I =Li, Na, K) Chloride und Bromide, z.b. CsBCl 3 und CsBBr 3 (wobei B=Cd, Hg) CsAuCl 3, CsGaCl 3, KMnCl 3 Sulfide ATiS 3 (wobei A=Sr, Ba), AZrS 3 (wobei A=Ca, Sr, Ba) Anti-Perowskit-Typ: Ag 3 IS 146

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17 Die kubische Diamantstruktur Kubisch-dichte Packung von C, eine Hälfte der Tetraederlücken ebenfalls mit C gefüllt, tetraedrische Koordination. In diesem Strukturtyp kristallisieren auch Si und Ge. Es existiert auch eine hexagonale Modifikation des Diamant 151

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19 Ersetzt man eine Hälfte der C-Atome durch Zn und die andere durch S, so erhält man die kubische- Sphalerit-Struktur. Analog kristallisieren viele Verbindungen, deren Atome über die gleiche Anzahl von Valenzelektronen verfügen. Beispiele: AlP, BN, GaP, GaAs, CdS, CuCl, AgCl

20 Fügt man in die Struktur des Si (Diamant-Typ) zwischen alle Si-Atome je ein O-Atom ein, so gelangt man zur Struktur der Hochtemperaturform des Cristobalits (β-cristobalit). In allen SiO 2 -Modifikationen, außer der Hochdruck-form Stishovit, die im Rutil-Typ mit KZ=6 für Si kristallisiert, liegen über alle vier Ecken verknüpfte SiO 4 -Tetraeder vor. Tridymit hat eine hexagonale Struktur, zugrunde liegt der hexagonale Diamant. Die Quarz-Struktur läßt sich nicht von der Diamant-Struktur ableiten, obwohl auch hier ein Netzwerk von eckenverknüpften SiO 4 -Tetraedern vorliegt. 154

21 Die α-quarz-struktur enthält bzw Schraubenachsen entlang der kristallographischen c-achse. Es gibt deshalb links und rechts-quarze mit unterschiedlichem Drehsinn in der Anordnung der SiO 4 -Tetraeder. 155

22 Der Carnegieit, NaAlSiO 4, ein Alumosilikat, hat eine enge Beziehung zum Cristobalit. Die Hälfte der Si 4+ ist durch Al 3+ ersetzt, zum Ladungsausgleich befinden sich in der Hälfte der Lücken Na + -Ionen. 156

23 In der Struktur des Cuprits, Cu 2 O, sind die Hohlräume des Cristobalitgitters durch ein identisches, zweites, verschobenes Netzwerk gefüllt. Zwischen den beiden Teilstrukturen gibt es keine chemischen Bindungen. 157

24 Die Graphit-Struktur (II) (s. a. 1. Vorlesungsstunde) Intercalationsverbindungen Zintl-Verbindungen mit graphitartigen Teilstrukturen Beispiel: Hexagonales Bornitrid oder CaAl 2 Si 2 : 158

25 Vom Graphit abgeleitete Strukturen: Fullerene Die Fullerene stellen eine praktisch unbegrenzte Zahl von metastabilen Modifikationen zwischen Dodecahedran und Graphit dar. Alle Fullerene enthalten 12 Fünfringe und eine variable Zahl von Sechsringen. C60 - das kleinste Fulleren - ist um ca. 0.4 ev/atom weniger stabil als Graphit. 159

26 Vom Graphit abgeleitete Strukturen: Fullerene Zylinderformig, tubular aufgerollte Graphitschichten: Nanoröhren, Nanotubes 160

27 Vom Graphit abgeleitete Strukturen: Fullerene Zylinderformig, tubular aufgerollte Graphitschichten: Nanoröhren, Nanotubes 161

28 Vom Graphit abgeleitete Strukturen: Fullerene 162

29 Vom Graphit abgeleitete Strukturen: Fullerene 163