Đóng gói chặt và cấu trúc tinh thể

Nhiều kim loại và chất rắn ion có nguồn gốc từ sự đóng gói chặt của các hình cầu, với các cation lấp đầy các lỗ bát diện và tứ diện để tạo ra các loại cấu trúc lặp lại của hóa học vô cơ.

Definition

Đóng gói chặt và cấu trúc tinh thể là mô tả cách các nguyên tử và ion sắp xếp trong các chất rắn mở rộng bằng cách đóng gói hình cầu hiệu quả, với các ion nhỏ hơn chiếm các lỗ xen kẽ, tạo ra các loại cấu trúc đặc trưng.

Scope

Chủ đề này bao gồm mô tả hình học của các cấu trúc tinh thể vô cơ: đóng gói chặt lập phương và lục giác cùng với các lỗ bát diện và tứ diện xen kẽ của chúng; sự hình thành các loại cấu trúc phổ biến như muối mỏ (rock salt), kẽm blende (zinc blende), fluorit (fluorite), rutil (rutile) và perovskit (perovskite); các quy tắc tỷ lệ bán kính và quy tắc của Pauling để dự đoán sự phối trí và cấu trúc; và mối quan hệ giữa loại cấu trúc và thành phần hóa học. Nó đề cập đến hình học và dự đoán cấu trúc hơn là năng lượng được đề cập trong chủ đề năng lượng mạng lưới.

Core questions

• Đóng gói chặt lập phương và lục giác là gì và chúng chứa bao nhiêu lỗ?
• Các loại cấu trúc ion phổ biến được hình thành từ các mảng đóng gói chặt như thế nào?
• Các quy tắc tỷ lệ bán kính và quy tắc của Pauling dự đoán sự phối trí và cấu trúc như thế nào?
• Thành phần hóa học hạn chế việc lấp đầy các lỗ như thế nào?

Key concepts

• Đóng gói chặt lập phương và lục giác
• Lỗ bát diện và tứ diện
• Cấu trúc muối mỏ và kẽm blende
• Cấu trúc fluorit và rutil
• Cấu trúc perovskit
• Quy tắc tỷ lệ bán kính và quy tắc của Pauling

Key theories

Đóng gói chặt và các lỗ xen kẽ

Các hình cầu đóng gói hiệu quả nhất trong các sắp xếp đóng gói chặt lập phương hoặc lục giác, mỗi sắp xếp cung cấp một lỗ bát diện và hai lỗ tứ diện trên mỗi hình cầu mà các cation có thể được đặt vào để xây dựng các cấu trúc ion.

Các loại cấu trúc phổ biến

Việc lấp đầy các phần cụ thể của các lỗ trong một mảng anion đóng gói chặt tạo ra các loại cấu trúc muối mỏ, kẽm blende, fluorit, rutil và các loại cấu trúc liên quan, thường xuất hiện trong các chất rắn vô cơ nhị phân và tam phân.

Quy tắc tỷ lệ bán kính và quy tắc của Pauling

Tỷ lệ bán kính cation so với anion dự đoán số phối trí ưu tiên, và quy tắc hóa trị tĩnh điện của Pauling cùng các quy tắc liên quan hạn chế cách các đa diện chia sẻ các đỉnh, cạnh và mặt trong các cấu trúc bền vững.

Clinical relevance

Việc nhận biết các loại cấu trúc là nền tảng cho việc thiết kế và giải thích các vật liệu vô cơ chức năng, bao gồm các oxit perovskit được sử dụng trong xúc tác, vật liệu sắt điện và pin mặt trời, cũng như các spinel được sử dụng trong pin và nam châm.

History

Các xác định tia X ban đầu của Bragg đã tiết lộ rằng các muối đơn giản như natri clorua có cấu trúc đóng gói chặt, và bộ sưu tập bán kính ion của Goldschmidt đã cho phép suy luận theo tỷ lệ bán kính. Các quy tắc năm 1929 của Pauling và các khảo sát có hệ thống của Wells đã sắp xếp danh mục rộng lớn các loại cấu trúc vô cơ.

Key figures

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

Seminal works

• pauling1929
• wells2012
• west2014

Frequently asked questions

Sự khác biệt giữa đóng gói chặt lập phương và lục giác là gì?

Cả hai đều đóng gói các hình cầu hiệu quả nhất có thể, nhưng chúng khác nhau ở trình tự xếp chồng của các lớp đóng gói chặt: đóng gói chặt lục giác lặp lại mẫu ABAB trong khi đóng gói chặt lập phương lặp lại ABCABC, tạo ra sắp xếp lập phương tâm mặt.

Tại sao tỷ lệ bán kính lại dự đoán số phối trí?

Một cation phải đủ lớn để giữ cho các anion xung quanh không chạm vào nhau; khi tỷ lệ bán kính cation so với anion tăng lên, số phối trí cao hơn dần dần trở nên ổn định về mặt hình học, đây là cơ sở của các quy tắc tỷ lệ bán kính.