Anorganická chemie/Krystalové struktury

Krystal je pevná látka, v níž jsou stavební prvky (atomy, molekuly nebo ionty) pravidelně uspořádány v opakujícím se vzoru (tzv. elementární buňce), který se zachovává na velké vzdálenosti (oproti atomárním měřítkům).

Podle typu vazby mezi atomy v krystalu rozlišujeme:

• iontové krystaly - atomy jsou vázány iontovou vazbou, jde např. o halogenidy alkalických kovů (NaCl, CsF)
• kovalentní krystaly - atomy jsou vázány kovalentní vazbou, jde často o krystaly prvků nebo organických sloučenin (SiO₂, diamant)
• kovové krystaly - jsou tvořeny kovy, jejich struktura sestává z kladných iontů obklopených tzv. elektronovým plynem (Cu, Fe)
• molekulární krystaly - molekuly jsou v krystalu propojeny nekovalentními interakcemi (HCl, organické sloučeniny)

V roce 1992 byla definice krystalu změněna, došlo k tomu na základě objevu kvazikrystalů:

Krystal je jakákoliv pevná látka, jejíž difrakční diagram je bodový.

Polohy atomů v elementární krystalové buňce

V elementární buňce rozlišujeme čtyři typy poloh:

• Poloha uvnitř buňky, atom patří celý do jediné buňky
• Poloha ve středu stěny, atom je sdílen dvěma buňkami. V konkrétní buňce je umístěna polovina atomu.
• Poloha ve středu hrany, atom je sdílen čtyřmi buňkami. V konkrétní buňce je umístěna čtvrtina atomu.
• Poloha ve vrcholu buňky, atom je sdílen osmi buňkami. V konkrétní buňce je umístěna osmina atomu.

Základní buňka chloridu cesného

U chloridu cesného (CsCl) je ion Cs⁺ umístěn uvnitř krystalové buňky, takže patří celý dané buňce. V rozích krychle je umístěno osm chloridových iontů, osmina každého chloridu tedy patří dané buňce, tím získáme jeden chloridový ion.

Strukturní typy

Tato kapitola je věnována běžným strukturním typům, ve kterých krystalují sloučeniny se vzorci MX, MX₂, M₂X a MM'X₃. Strukturní typy se označují jménem, nebo vzorcem vybrané sloučeniny, která v této struktuře krystaluje.

Halit

Halit, neboli sůl kamenná, krystaluje v plošně centrované kubické mřížce, v každé buňce jsou čtyři sodné a čtyři chloridové ionty. Ionty se nacházejí ve vrcholech krychle a ve středech jejích stěn. Každý ion je ve struktuře obklopen šesti opačně nabitými ionty v oktaedrické konfiguraci.

Krystalová mřížka NaCl

V tomto strukturním typu krystalují např. NaF, NaBr, CsF, MgO, CaO, MgS a CaS.

Chlorid cesný

Chlorid cesný krystaluje v tělesně centrované kubické mřížce, tato struktura je charakteristická pro halogenidy s ionty o podobném poloměru (Cs⁺ 174 pm; Cl^- 181 pm). Každý ion je koordinován osmi opačnými ionty, jde vlastně o dvě spojené kubické soustavy. V této soustavě krystaluje také CsBr, CsI, TlCl, TlBr, NH₄Cl a NH₄Br.

Krystalová struktura CsCl

Arsenid nikelnatý

Struktura NiAs je podobná struktuře halitu, ale anionty As^2- jsou uspořádány do nejtěsnějšího hexagonálního uspořádání a kationty Ni²⁺ obsazují oktaedrické mezery.

Krystalová mřížka NiAs

Fluorit

Fluorit, neboli fluorid vápenatý, krystaluje v kubické, plošně centrované struktuře. Každý kation má koordinační číslo osm a anionty mají koordinační číslo 4. Kromě CaF₂ krystaluje v této struktuře i CeO₂, ThO₂ nebo NpO₂.

Krystalová mřížka CaF₂

Antifluorit

Pokud ve struktuře fluoritu vyměníme kationty za anionty, získáme antifluoritovou strukturu, ve které krystalují oxidy a sulfidy kovů 1. skupiny, M₂O a M₂S. Jedinou výjimkou je Cs₂O, který má strukturu CdI₂.

Krystalová mřížka Mg₂Si

Sfalerit

Strukturu sfaleritu, ZnS, lze odvodit z fluoritu odstraněním poloviny aniontů. Druhou možností je vyjít ze struktury diamantu, která je tvořena teraedricky koordinovanými atomy uhlíku. Ve sfaleritu mají všechny atomy také tetraedrickou koordinaci, ale pravidelně se střídá zinek a síra. V této struktuře krystalují také polovodiče, jako GaAs nebo CdTe.

Krystalová mřížka sfaleritu

Kristobalit

Krisotbalit je modifikace SiO₂, skládá se z tetraedrů SiO₄ propojených vrcholy. Úhel Si-O-Si je 144°.

Krystalová mřížka β-kristobalitu

Wurtzit

Wurtzit je další krystalovou modifikací ZnS, na rozdíl od sfaleritu, je uspořádání hexagonální. Ionty zinku i síry jsou koordinovány tetraedricky.

• 
• 

Perovskit

Perovskit je příkladem podvojného oxidu, jde o oxid vápenato-titaničitý, CaTiO₃. Krystaluje v kubické soustavě, titaničité ionty jsou v rozích krychle, vápenaté v těžišti krychle a kyslíky ve středech stran. Vápenaté ionty jsou koordinovány dvanácti kyslíky, titaničité šesti.

• 
  Struktura perovskitu, červené atomy jsou kyslíky, modré titan a zelené vápník
• 

Odkazy

Literatura

• HOUSECROFT, Catherine E.; SHARPE, Alan G.. Anorganická chemie. 1.. vyd. [s.l.] : [s.n.], 2014. 1152 s. ISBN 978-80-7080-872-6. S. 181-186.
• Crystal Structure