Küsimus:
Kuidas NaCl oma kristallstruktuuri säilitab?
soandos
2012-04-25 23:25:27 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Olen aru saanud, et $ \ mathrm {NaCl} $ on iooniline ühend, milles $ \ mathrm {Cl} $ saab (tegelikult) $ \ mathrm {Cl ^ -} $ ja $ \ mathrm {Na} $ $ \ mathrm {Na ^ +} $. Nii et ma saan aru, miks ma saaksin osakeste "mere", mis kleepuks kokku.

Kuid miks tähendab ülaltoodu, et sellel on näo keskel kuupstruktuur, kus ioonid jäävad nii jäigalt kinni?

Kui küsimus on üldine ja kas "miks ioonkristallid kristalliseeruvad?", Arvaksin, et see on liiga põhiline ja liiga lai ...
Neli vastused:
#1
+34
Chris
2012-04-26 10:23:47 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Kristallid on inspireerinud väga paljusid keemikuid, kuna need on vaimustavad mõjuval põhjusel . Need pole mitte ainult esteetiliselt meeldivad, vaid pakuvad suurepärast ainet ka mitmesuguste teoreetiliste ainete tutvustamiseks, mis on olulised kõrgetasemelise keemia mõistmiseks. Keskendume peamiselt binaarsetele ühenditele ainult seal, kus kovalentsus pole kõrge . Selle probleemi mõtlemiseks on mitu võimalust, kuid alustame kristalli sulamisest.

Me ütleme, et mingil kindlal temperatuuril sulab kõrgelt korrastatud kristall vedelaks. Need meist, kes tunnevad tasakaalu termodünaamika keelt, võivad tõdeda, et selle faasimuutuse vaba energia muutuse saab kirjutada püsiva temperatuuri korral järgmiselt:

$$ G_ \ text {liquid} - G_ \ tekst {crystal} = H_ \ text {liquid} - H_ \ text {crystal} - T (S_ \ text {liquid} - S_ \ text {crystal}) $$

$$ \ Delta G = \ Delta H - T \ Delta S $$

Kui oletame, et see protsess on spontaanne, siis ütleksime, et Gibbsi vaba energia muutus on negatiivne, st $ \ Delta G < 0 $. See kehtib ainult siis, kui,

$$ \ Delta H < T \ Delta S $$

Traditsiooniliselt tõlgendame seda nii, et entroopia termiline suurenemine suureneb, kui sulatame kõrgelt korrastatud kristalli vedelaks, mis kompenseerib rohkem kui seda kristalli koos hoidvate interaktsioonide entalpiatega seotud energiakulu. Keemik kipub juba varakult õppima, et vastupidi pole tingimata tõsi: mingil kindlal temperatuuril moodustub vedelikust harva täiuslik kristall. See võimetus lihtsalt mis tahes ainet kuumutada ja jahutades alati saada täiuslik kristall, illustreerib, kuidas kristallide moodustumine on kineetilise - kui termodünaamilise juhtimise juhtum. Nii et protsess, mille käigus te oma kristalli moodustate, võib põhjustada teistsuguse kristalli struktuuri. Mõnikord muutuvad kristallistruktuurid lihtsalt kambri temperatuuri muutmisega, milles mõõdate kristallstruktuuri! Nüüd ei kehti kumbki neist juhtumitest minu teada naatriumkloriidi kohta.

Selliste ioonkristallide nagu naatriumkloriid moodustumine on peen tasakaal elektrostaatilise atraktsiooni ja Pauli tõrjumise vahel. Elektrostaatiline atraktsioon ütleb, et kahe erineva laengu, $ q _ + $ ja $ q _- $ vahel on Coulombi jõud, mille annab $$ F = \ frac {k q_ + q _-} {r ^ 2} $$

kus $ r $ on kahe laengu vaheline kaugus. Kui keegi mängib numbritega, on lihtne mõista, et lühikestel vahemaadel on jõud kõige tugevam, kuid nende lähedale jõudmisel on piir. Lõpuks ületab atraktiivsuse kvantmehaanilise printsiibi tõttu kutsutud Pauli välistamise põhimõte. Tulemuseks on tasakaal, mille korral aatomid asuvad üksteisest teatud kaugusel, nii et kui mind huumoriksite, tasakaalustuvad nende vahel olevad “jõud”. Seetõttu esindame traditsiooniliselt kristallide pakkimist, kasutades ainulaadse raadiusega marmoreid. Kõva marmori raadius tähistab seda, kus Pauli tõrjumine ületab atraktsiooni.

Võite öelda: "Muidugi, meil on vaja arvestada nende kineetiliste, elektrostaatiliste ja kvantmehaaniliste teguritega, kuid kuidas need aitavad lõplikul kristallstruktuuril?" Hoidke oma hobused kinni, me jõuame kohale.

Kuulus matemaatik ja teadlane mõtlesid, kuidas kõige tõhusamalt ühesuuruseid sfääre kokku pakkida. Kõige tõhusama all mõtlen seda silmas pidades seda, mida FedEx peab tõhusaks, sobitades asjad kokku võimalikult väiksesse mahtu. Seda soovib ka elektrostaatika. Kepler soovitas, et parimat viisi sfääride pakkimiseks seda silmas pidades saab maksimeerida kahel viisil: fcc ja hcp.

See oletus toetub aga sellele, et kõik sfäärid oleksid ühtlased. Me ei saa eeldada, et see on sama lauasoola aatomite puhul, kuna katioon, naatrium, on väidetavalt väiksem kui kloriidanioon. Tööriist, mis on struktuuri ennustamiseks kasulik juhendiks , põhineb katiooni suhtelisel suurusel $ r_ \ text C $ ja anioonil, $ r_ \ text A $. See raadiuse suhe, $ r_ \ text C / r_ \ text A $, on enamasti kasulik ainult lihtsate binaarsete liikide puhul. Need $ r_ \ text C $ ja $ r_ \ text A $ on paljudes keemiaraamatutes esitatud ioonraadiusena; neid mõtlevad välja erinevad uurijate pakutavad reeglid, näiteks Linus Pauling, mida rakendatakse eksperimentaalselt määratud interiooniliste vahemaade jaoks. Selles süsteemis on meil kasulik arutada, kui palju naabreid on anioonil või katioonil vastupidine laeng.

Koordinatsiooninumber ($ \ mathrm {CN} $) ütleb meile, mitu naabrit tüüpi aatomil on selle ümber. Kindel $ r_ \ text C / r_ \ text A $ annab meile tõenäolise CN-i tunnetuse. Ühest allikast sain arvutada $ \ ce {NaCl} $ suhtarvu $ r _ {\ ce {Na +}} / r _ {\ ce {Cl-}} = 0,564 $. Enamikus õpikutes öeldakse, et kui teie suhe on 0,414 USD {-} 0,732 $, siis on teil $ \ mathrm {CN} = 6 $. Näitan teile, kuidas arvutada miinimumväärtus väärtusele $ \ mathrm {CN} = 6 $. Lihtsaim viis maksimumi saamiseks on saada miinimum väärtuseks $ \ mathrm {CN} = 8 $.

Lühidalt, kui paneme väikese katiooni $ XY $ tasapinnale ja ümbritseme selle allpool näidatud viisil, siis võiksime ka $ $ $ $ matemaatika keskse katiooni kohale ja alla asetada kaks ringi $ Z $ -telgedesse. CN} = 6 $. (Ma ei näita neid kahte $ Z $ -teljes selguse huvides.) Ütleme, et antud $ \ mathrm {CN} $ on stabiilne ainult siis, kui sfäärid kõik üksteist puudutavad. Me ütleme, et joonistatud suhtarvude korral ei ole $ \ mathrm {CN} = 8 $ stabiilne, kuna meie katioonikera oleks liiga väike ega puudutaks kõiki kaheksat naabrit. Alati eelistatakse suuremat tihedust, nii et $ \ mathrm {CN} = 4 $ ei eelistata, kui $ \ mathrm {CN} = 6 $ on stabiilne. for $\mathrm{CN}=6$

Selge, $ \ angle \ mathrm {DAC} = 45 ^ {\ circ} $. Pealegi võime öelda, et $ \ overline {\ mathrm {DC}} = r_ \ text A $ ja $ \ overline {\ mathrm {AC}} = r_ \ text A + r_ \ text C $. Trigonomeetria ütleb meile, et $$ \ sin 45 ^ {\ circ} = \ frac {\ overline {\ mathrm {DC}}} {\ overline {\ mathrm {AC}}} $$ Asendades äsja määratud väärtused, $ $ \ frac {\ sqrt {2}} {2} = \ frac {r_ \ text A} {\ overline {r_ \ text A + r_ \ text C}} $$

$ r_ lahendamine \ text C / r_ \ text A $ annab,

$$ r_ \ text C / r_ \ text A = \ frac {2} {\ sqrt {2}} -1 = 0.414 $$

mis on soovitud alumine piir.

Nii võime öelda, et katiooni $ \ mathrm {CN} = 6 $. Samamoodi võite välja mõelda, et $ \ mathrm {CN} = 6 $ aniooni jaoks. Sellepärast ütleme, et sellel on 6: 6 koordinatsioonimuster, mis näitab naatriumkloriidi tüüpi struktuuri. Tseesiumkloriid on seevastu 8: 8 ja näitab selle struktuuri tüüpi. Me kipume ütlema, et need mustrid on kooskõlas teatud kristallstruktuuriga, kuna kõik tükid sobivad üksteisega järjepidevalt. See geomeetriline kontseptsioon põhineb puhtalt kera pakkimisel ja pole ilma piiranguteta.

Kvantitatiivsem viis välja selgitada, millist geomeetriat eelistatakse, on erinevate geomeetriate elektrostaatiliste energiate arvutamine. Kapustinskii nimeline venelane tuletas selleks valemi,

$$ E_ \ text {lattice} (\ mathrm {kJ / mol}) = \ frac {\ alpha} {r_ \ text C + r_ \ text A} $$

Siit saate teada peate selle raadiusesuhtes väljendama konstantse $ r_ \ text A $ abil,

(peaksin tähele panema, et see on kuri algebra: $ \ frac {a / b} {d / b + 1} = \ frac {a} {b + d} $ kus $ a = \ alpha $, $ b = r_ \ text A $, $ d = r_ \ text C $.)

$$ E_ \ text {lattice} = \ frac {\ alpha / r_ \ text A} {\ frac {r_ \ text C} {r_ \ text A} + 1} $$

Põhimõtteliselt $ \ alpha $ on kristallstruktuuri tüübi muutuse korral erinev ja sealt saate võrrelda seda, millel on eelistatud energia. Selle kvantitatiivsema mudeli abil saate geomeetrilisi suundumusi taasesitada. Ka selle lähenemisega on probleeme, nagu tähelepanuta jäetud dipool ja kvadrupool ning kovalentsus. Jah, isegi $ \ ce {NaCl} $-s on mõni kovalentne märk. Ma arvan, et me ütleme, et iooniline tähis $ \ ce {NaCl} $ 67 \ \% $. Need muutuvad oluliseks siis, kui kaks erinevat kristallstruktuuri on energia lähedal või kui on vaja täpsemaid arvutusi.

#2
+10
Terry Bollinger
2012-04-26 05:11:33 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Kui loen teie küsimust õigesti, arvan, et vastus teie küsimusele on "geomeetria".

See tähendab, et naatrium- ja kloori aatomid moodustavad näokeskne kuup, sest ioonide suhteline suurus - väike naatriumi jaoks, mis on suur kloori jaoks - muudab selle paigutuse vähem pingeliseks (energeetiliselt soodsaks). Kuid kui muudate ioonide suhtelisi suurusi, pole näopõhine kuupmeeter enam tagatud.

Näide on tseesiumkloriid. See ei ole tegelikult kehakeskne, kuna sellel on kahte erinevat tüüpi ioone, kuid tseesiumiioonide suurem suurus annab sellele sama kuju kui keha keskne, ainult tseesiumi- ja kloriidioonide vaheldumisi.

#3
+5
Yann
2012-04-25 23:37:11 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Kristall moodustub ioonide tõrjumis- ja tõmbejõudude tasakaalustamiseks. Mõned ioonsed ühendid moodustavad erinevad struktuurid sõltuvalt nende tahkumisest (olgu need siis näiteks kiire või aeglase jahutamise teel). Ränidioksiid (SiO2) on näide ioonilisest ühendist, millel on palju erinevaid struktuure. Kui ioonidele on piisavalt energiat, näiteks kõrgematel temperatuuridel, saavad nad liikuda sellelt ideaalselt, sümmeetriliselt ja tasakaalustatult ja säilitada ajutiselt vähem soodne geomeetria. Ioonvedelik teeb seda pidevalt.

Kristalli spetsiifiline struktuur sõltub ioonide suurusest, sest nende suurus mõjutab ioonide pakkimist.

Miks see siis üldse kristalliseerub?
@soandos Due mõtlete, miks see kristallub, erinevalt amorfsest tahkest ainest? Algselt kristalliseerub see kulmoniliste mõjude tõttu, nagu Yann on välja toonud, ja need moodustavad Bohri mudeli järgi energiabarjäärid, mis suunavad täpselt, mis kaugus peaks iga ioon üksteisest olema. Ühesuguste sidemete püsimiseks tahkes aines peab see moodustama pakkimisjärjekorra, mis vastab sellele kauguse nõudele. Siin tulevad sisse kristallograafilised struktuurid, nagu primatiivne rakk, näokeskne kuupmeetik jne.
#4
-3
patel sangita
2014-05-10 17:56:20 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Kuidas säilitab $ \ ce {NaCl} $ oma kristallstruktuuri? See on hea küsimus.

Kuna $ \ ce {NaCl} $ kristallstruktuuris ümbritsevad $ $ $ \ ce {Na +} $ iooni 6 elektroni $ 6 $ \ ce {Cl -} $ iooni ja 6 elektroni $ \ ce {Cl -} $ iooni ümbritseb 6 elektroni $ \ ce {Na +} $. Nii hoiab $ \ ce {NaCl} $ oma kristallstruktuuri.



See küsimus ja vastus tõlgiti automaatselt inglise keelest.Algne sisu on saadaval stackexchange-is, mida täname cc by-sa 3.0-litsentsi eest, mille all seda levitatakse.
Loading...