Zirkon
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Zirkon
Kristallchemie
• Atome• Ionen• Moleküle• Chemische
Bindungen
Bohr’sches AtommodellKernteilchen:
p: Protonn: Neutron
Elektronenhülle:e- Elektron
Nukleus: Massenzahl A = p + n, Ordnungszahl Z = p = e-
Elektronen kreisen um den Kern, bestimmen die Grösse des Atoms, Atomradien liegen im Bereich von 0.5-2.5 Angstrom
Die Zahl und Anordnung der Elektronen in der Elektronenhüllebestimmt die chemische Eigenschaften des Atoms
Elektronegativität
• Mass für die Tendenz eines Atoms, in einer chemischen Bindung Bindungselektronen an sich zu ziehen
• Elemente mit hoher Elektronegativität – im Periodensystem rechts oben (z.b. Halogenide, Sauerstoff, ...)
• Elemente mit niedriger Elektronegativität –im Periodensystem links unten (z.B. Alkali-und Erdalkalimetalle, ...)
Metalle, Metalloide, NichtmetalleMetalle: E-neg < 1.9 - e- Abgabe → KationenNichtmetalle: E-neg > 2.1 - e- Aufnahme → AnionenMetalloide: B, Si, Ge, As, Sb, Te, Po→ Kationen / Anionen
Chemische Bindungenphänomenologische Modelle
• Ionische Bindung• Kovalente Bindung• Metallische Bindung• Van der Waals Bindung• Wasserstoff Brückenbindung
Ionische BindungvolkommenerLadungstransfer →
Kationen und Anionen
Elektrostatische Bindung
z.B. Elemente der 1.und 7. HauptgruppeNaCl, KCl, CsF
Ionische Bindung – Steinsalz (Halit)
HalitHalit
ClCl
ClCl
ClCl
ClCl
NaNa
Kovalente Bindungen
• Elektronegativitätsdifferenz sehr klein oder null (z.B. Elementmoleküle: H2, O2. N2, F2; organische Verbindungen; Graphit, Diamant, elementarer Schwefel Realgar-As2O3)
• Zum Erreichen der Edelgaskonfiguration teilen die beteiligten Atome ihre ungepaarten Elektronen in einem „gemeinsamen Pool“-überlappende Orbitale - was zu einer starken anziehenden Wechselwirkung (kovalenteBindung) führt.
Kovalente Bindung - DiamantHybrid Orbitale
Kohlenstoff: ↑↓ | ↑↓ | ↑ ↑ → ↑↓ | ↑ ↑ ↑ ↑1s 2s 2p 1s 2(sp3)
C-C-C angle = 109o 28’
Fig 8-8 of Bloss, Crystallography and Crystal Chemistry. © MSA
3 2(sp2) Hybridorbitale: koplanar & 120o
WinkelGraphit Struktur
Fig 8-8 of Bloss, Crystallography and Crystal Chemistry. © MSA
Metallische Bindungen
• Bindungselektronen sämtlicher Atome (nicht nur die der nächsten Nachbarn) in einen gemeinsamen Topf („See“)
• Elektronen können sich darin zwischen den Metallatomen frei bewegen –Elektronengas, verantwortlich für die hoheelektrische und thermische Leitfähigkeitvon Metallen
Van der Waals BindungenSchwächste Bindung
Normalerweise zwischen neutralen Molekülen(auch grosse, wie etwa Graphitschichten)
Stimuliert durch polare kovalente BindungenAuch A-A Bindungen wie etwa O2 oder Cl2 werden bei
tiefen Temperaturen polar und kondensieren zuFlüssigkeiten und schliesslich zu geordnetenFestkörpern - Molekülkristalle
kondensierteskondensiertes ClCl
covcov VdWVdW
Kugelpackungen
• Ionen koennen in erster Näherung als Kugeln betrachtet werden
• Anionen sind in der Regel größer als Kationen• Anionen sind im wesentlichen in Form einer
dichtesten Kugelpackung angeordnet• Kationen sitzen in den Lücken zwischen den
Anionen• Viel Kristallstrukturen können aus der dichtesten
Kuglepackung der Anionen abgeleitet werden
Dichteste Kugelpackung
Gleichgroße Kugeln“Closest Packed”HexagonaleAnordnung:
6 nächsteNachbarn in derEbene
Zwei Möglichkeiten eine nächste Kogellage zu plazieren
1122
Dichteste KugelpackungZweite Lage (rot)
11
Dichteste KugelpackungDritte Lage
Auf selbe Position wie Lage A, d.h. nicht über die verbliebenenLücken →
A-B-A-B hexagonaldichteste Packung(HCP)
Koordinationszahlr(nächsteNachbarn) = 12
6 koplanar3 oberhalb3 unterhalb
Dichteste KugelpackungDritte Lage
A-B-A-B hexagonaldichteste Packung(HCP)
Koordinationszahlr(nächsteNachbarn) = 12
6 koplanar3 oberhalb3 unterhalb
Dichteste Kugelpackung
Blick von oben zeigt hexagonale Einheitszelle
Dichteste Kugelpackung
Alternativ kann die dritte Lage auf die Position gelegtwerden, die sowohl in A als auch in B eineLücke ist
Dichteste Kugelpackung
Dritte Lage:Wenn auf C-Platz →
Abfolge A-B-C-A-B-C → kubischdichteste Packung(CCP)
Atome der blauenLage in neuerPosition – Lückenin Lage A und B
Dichteste Kugelpackung
Dritte Lage:Wenn auf C-Platz →
Abfolge A-B-C-A-B-C → kubischdichteste Packung(CCP)
Atome der blauenLage in neuerPosition – Lückenin Lage A und B
Dichteste Kugelpackung -Einhetiszelle
Schräge Sicht von oben zeigt die FlächenzentriertekubischeEinheitszelle.
AA--layerlayer
BB--layerlayer
CC--layerlayer
AA--layerlayer
Die Lücke im im Zentrum eines Oktaeders ausdichtest gepackten Anionen bietet Platz für einKation
Was ist das limitierendeRadienverhältnisRK/RA ??
1.414 = dK + dA
wenn dA = 1dann dK = 0.414
dK/dA = RK/RA
= 0.414/1 = 0.414
= 1= 2
Die Lücke im im Zentrum eines Tetraeders ausdichtest gepackten Anionen bietet Platz für einKation.
Limitierendes RK/RA ??
Abstand Zentrum-Ecke in Tetraeder mit Kantenlänge1.0 = 0.6124
RK = 0.612 - 0.5 = 0.1124
RK/RA
= 0.1124/0.5 = 0.225
0.61
1
0.5
Zusammensetzung der Erdkruste
Gew. % Atom % Ionenradius Vol. %O 46.60 62.55 1.40 93.8Si 27.72 21.22 0.42 0.9Al 8.13 6.47 0.51 0.5Fe 5.00 1.92 0.74 0.4Ca 3.63 1.94 0.99 1.0Na 2.83 2.64 0.97 1.3K 2.59 1.42 1.33 1.8Mg 2.09 1.84 0.66 0.3
Total 98.59 100.00 100.00SauerstoffSauerstoff: 94 vol. % : 94 vol. % derder KrusteKruste –– KrusteKruste (und (und ihreihre
BestandeileBestandeile die die MineraleMinerale) ) sindsind eineeine dichtedichteSauerstoffpackungSauerstoffpackung mitmit KationenKationen in den in den LLüückencken
Ionenradien
• Atome/Ionen - keine starren Kugeln -Ionenradien von Koordinationszahl abhängig
Kation/Anion KZ reff (Å) Kation/Anion KZ reff (Å)
Al3+ IV 0.39 Fe2+ IV 0.63
VI 0.39 VI 0.75
Ba2+ X 1.52 Fe3+ IV 0.49
XII 1.61 VI 0.55
Be2+ IV 0.27 K1+ VII 1.46
C4+ IV 0.15 X 1.59
Ca2+ VI 1.00 XII 1.64
VII 1.06 Mg2+ IV 0.57
VIII 1.12 VI 0.72
Cu1+ II 0.46 Na1+ VII 1.12
IV 0.60 XII 1.39
VI 0.77 O2- III 1.36
Cu2+ IV 0.57 P5+ IV 0.17
VI 0.73 S2- VI 1.84
F1- II 1.285 Si4+ IV 0.26
III 1.30 VI 0.40
Koordinationspolyeder
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