Empilement compact et structures cristallines
De nombreux métaux et solides ioniques dérivent de l'empilement compact de sphères, les cations occupant les sites octaédriques et tétraédriques pour générer les types de structures récurrents en chimie inorganique.
Definition
L'empilement compact et les structures cristallines décrivent la manière dont les atomes et les ions s'organisent dans les solides étendus par un empilement efficace de sphères, les ions plus petits occupant les sites interstitiels, donnant lieu à des types de structures caractéristiques.
Scope
Ce sujet couvre la description géométrique des structures cristallines inorganiques : l'empilement compact cubique et hexagonal et leurs sites interstitiels octaédriques et tétraédriques ; la dérivation des types de structures courants tels que le sel gemme, la blende, la fluorine, le rutile et la pérovskite ; les règles du rapport des rayons et les règles de Pauling pour prédire la coordination et la structure ; et la relation entre le type de structure et la stœchiométrie. Il traite de la géométrie et de la prédiction de structure plutôt que de l'énergétique abordée dans le sujet sur l'énergie réticulaire.
Core questions
- Que sont l'empilement compact cubique et hexagonal et combien de sites contiennent-ils ?
- Comment les types de structures ioniques courants sont-ils dérivés des réseaux compacts ?
- Comment les règles du rapport des rayons et de Pauling prédisent-elles la coordination et la structure ?
- Comment la stœchiométrie contraint-elle les sites qui sont occupés ?
Key concepts
- Empilement compact cubique et hexagonal
- Sites octaédriques et tétraédriques
- Structures de type sel gemme et blende
- Structures de type fluorine et rutile
- Structure de type pérovskite
- Règles du rapport des rayons et de Pauling
Key theories
- Empilement compact et sites interstitiels
- Les sphères s'empilent le plus efficacement dans des arrangements compacts cubiques ou hexagonaux, chacun offrant un site octaédrique et deux sites tétraédriques par sphère dans lesquels les cations peuvent être placés pour construire des structures ioniques.
- Types de structures courants
- Le remplissage de fractions spécifiées des sites dans un réseau d'anions compact génère les types de structures de type sel gemme, blende, fluorine, rutile et structures apparentées qui se retrouvent dans les solides inorganiques binaires et ternaires.
- Règles du rapport des rayons et de Pauling
- Le rapport du rayon du cation à celui de l'anion prédit le nombre de coordination préféré, et les règles de valence électrostatique de Pauling et les règles connexes contraignent la manière dont les polyèdres partagent les sommets, les arêtes et les faces dans les structures stables.
Clinical relevance
La reconnaissance des types de structures est fondamentale pour la conception et l'interprétation des matériaux inorganiques fonctionnels, y compris les oxydes de pérovskite utilisés en catalyse, dans les ferroélectriques et les cellules solaires, ainsi que les spinelles utilisés dans les batteries et les aimants.
History
Les premières déterminations par rayons X de Bragg ont révélé que des sels simples comme le chlorure de sodium adoptent des structures compactes, et la compilation des rayons ioniques par Goldschmidt a permis le raisonnement basé sur le rapport des rayons. Les règles de Pauling de 1929 et les études systématiques de Wells ont organisé le vaste catalogue des types de structures inorganiques.
Key figures
- Linus Pauling
- William Lawrence Bragg
- Victor Goldschmidt
- Alexander Wells
Related topics
Seminal works
- pauling1929
- wells2012
- west2014
Frequently asked questions
- Quelle est la différence entre l'empilement compact cubique et hexagonal ?
- Les deux empilent les sphères aussi efficacement que possible, mais ils diffèrent par la séquence d'empilement des couches compactes : l'empilement compact hexagonal répète un motif ABAB tandis que l'empilement compact cubique répète ABCABC, donnant l'arrangement cubique à faces centrées.
- Pourquoi le rapport des rayons prédit-il le nombre de coordination ?
- Un cation doit être suffisamment grand pour empêcher les anions environnants de se toucher ; à mesure que le rapport du rayon cation/anion augmente, des nombres de coordination progressivement plus élevés deviennent géométriquement stables, ce qui constitue la base des règles du rapport des rayons.