Empacotamento Compacto e Estruturas Cristalinas

Muitos metais e sólidos iônicos derivam do empacotamento compacto de esferas, com cátions preenchendo vazios octaédricos e tetraédricos para gerar os tipos de estrutura recorrentes da química inorgânica.

Definition

Empacotamento compacto e estruturas cristalinas é a descrição de como átomos e íons se organizam em sólidos estendidos por empacotamento eficiente de esferas, com íons menores ocupando os vazios intersticiais, dando origem a tipos de estrutura característicos.

Scope

Este tópico abrange a descrição geométrica das estruturas cristalinas inorgânicas: empacotamento compacto cúbico e hexagonal e seus vazios intersticiais octaédricos e tetraédricos; a derivação de tipos de estrutura comuns como sal-gema, blenda de zinco, fluorita, rutilo e perovskita; regras de razão de raios e regras de Pauling para prever coordenação e estrutura; e a relação entre tipo de estrutura e estequiometria. Ele trata da geometria e previsão de estrutura, em vez da energética abordada no tópico de energia de rede.

Core questions

• O que são empacotamento compacto cúbico e hexagonal e quantos vazios eles contêm?
• Como os tipos de estrutura iônica comuns são derivados de arranjos compactos?
• Como a razão de raios e as regras de Pauling preveem a coordenação e a estrutura?
• Como a estequiometria restringe quais vazios são preenchidos?

Key concepts

• Empacotamento compacto cúbico e hexagonal
• Vazios octaédricos e tetraédricos
• Estruturas de sal-gema e blenda de zinco
• Estruturas de fluorita e rutilo
• Estrutura de perovskita
• Regras de razão de raios e de Pauling

Key theories

Empacotamento compacto e vazios intersticiais

As esferas se empacotam de forma mais eficiente em arranjos compactos cúbicos ou hexagonais, cada um fornecendo um vazio octaédrico e dois vazios tetraédricos por esfera, nos quais os cátions podem ser colocados para construir estruturas iônicas.

Tipos de estrutura comuns

O preenchimento de frações especificadas dos vazios em um arranjo aniônico compacto gera os tipos de estrutura de sal-gema, blenda de zinco, fluorita, rutilo e relacionados que se repetem em sólidos inorgânicos binários e ternários.

Regras de razão de raios e de Pauling

A razão entre o raio do cátion e o do ânion prevê o número de coordenação preferido, e as regras de valência eletrostática de Pauling e regras relacionadas restringem como os poliedros compartilham vértices, arestas e faces em estruturas estáveis.

Clinical relevance

O reconhecimento dos tipos de estrutura é fundamental para o projeto e a interpretação de materiais inorgânicos funcionais, incluindo os óxidos de perovskita usados em catálise, ferroelétricos e células solares, e os espinélios usados em baterias e ímãs.

History

As primeiras determinações de raios X de Bragg revelaram que sais simples como o cloreto de sódio adotam estruturas compactas, e a compilação de raios iônicos de Goldschmidt possibilitou o raciocínio da razão de raios. As regras de Pauling de 1929 e os levantamentos sistemáticos de Wells organizaram o vasto catálogo de tipos de estrutura inorgânica.

Key figures

• Linus Pauling
• William Lawrence Bragg
• Victor Goldschmidt
• Alexander Wells

Seminal works

• pauling1929
• wells2012
• west2014

Frequently asked questions

Qual é a diferença entre empacotamento compacto cúbico e hexagonal?

Ambos empacotam esferas da forma mais eficiente possível, mas diferem na sequência de empilhamento das camadas compactas: o empacotamento compacto hexagonal repete um padrão ABAB, enquanto o empacotamento compacto cúbico repete ABCABC, dando o arranjo cúbico de face centrada.

Por que a razão de raios prevê o número de coordenação?

Um cátion deve ser grande o suficiente para evitar que os ânions circundantes se toquem; à medida que a razão entre o raio do cátion e o do ânion aumenta, números de coordenação progressivamente maiores se tornam geometricamente estáveis, o que é a base das regras da razão de raios.