Najbardziej typowymi związkami jonowymi są połączenia pierwiastków o najwyższej elektroujemności (miara tendencji do przyciągania elektronów przez atomy danego pierwiastka, gdy tworzy on związek chemiczny z atomami innego pierwiastka) np. fluoru, tlenu, chloru, z pierwiastkami o najmniejszej elektroujemności np. cezem, rubidem, potasem, sodem, barem, a także strontem, wapniem czy litem.
Fazy jonowe wielu ważnych materiałów ceramicznych są zbudowane najczęściej w ten sposób, że podsieć anionowa jest typu , lub (regularna, prymitywna) i kationy zajmują luki między anionami. W tych przypadkach występuje tendencja do jak najściślejszego ułożenia się jonów w przestrzeni i tworzenia struktur o zwartym upakowaniu.
Klasycznym przykładem fazy o najprostszym wzorze chemicznym \( \ce{MX} \) ( \( \ce{M} \)- metal, \( \ce{X} \)- niemetal) jest chlorek sodu \( \ce{NaCl} \) ( Rys. 1 ). Obie podsieci, anionowa i kationowa, w jego strukturze są typu . Każdy kation jest otoczony sześcioma anionami, a każdy anion sześcioma kationami. Liczby koordynacyjne LK dla sodu i chloru wynoszą więc 6. Wielościanem koordynacyjnym w obydwu przypadkach jest ośmiościan. Taką samą strukturę mają między innymi tlenki metali: \( \ce{MgO, CaO, SrO, BaO, CdO, NiO, FeO, MnO, TiO, NbO, VO} \) i \( \ce{CoO} \).
Znane są fazy jonowe o wzorze \( \ce{MX} \) wykazujące inną strukturę, na przykład chlorek cezu \( \ce{(CsCl)} \), w którym zarówno aniony, jak i kationy tworzą podsieci typu ( Rys. 2 ).
Wiele tlenków metali wysokotopliwych ważnych w ceramice, a w szczególności: \( \ce{ZrO_{2}, HfO_{2}, ThO_{2}} \), ma strukturę fluorytu \( \ce{(CaF_{2})} \) ( Rys. 3 ). Kationy metalu w tej strukturze tworzą sieć , aniony zajmują wszystkie luki tetraedryczne. Z kolei sieć typu tworzą aniony w związkach chemicznych o wzorze \( \ce{M_{2}X_{3}} \), wśród których największe znaczenie techniczne ma korund \( \ce{(Al_{2}O_{3})} \).
Komórka elementarna korundu ( Rys. 4 ) jest złożona z anionów tlenu tworzących sieć heksagonalną gęstego upakowania oraz kationów glinu zajmujących 2/3 wszystkich luk oktaedrycznych. Stąd każdy kation glinu jest otoczony przez sześć anionów tlenu, a każdy anion ma w swym najbliższym otoczeniu cztery kationy. Taką sama strukturę maja tlenki \( \ce{Fe_{2}O_{3}, Cr_{2}O_{3}, Ti_{2}O_{3}} \), a także inne tlenki i siarczki metali trójwartościowych.
W fazach jonowych przeważają struktury gęstego upakowania. Spotyka się również związki chemiczne o „luźnych” strukturach krystalicznych, na przykład tlenki wysokotopliwych metali przejściowych \( \ce{(Re, Ti, W, Mo, Nb, Ta)} \). Wokół kationu metalu w strukturze tych tlenków jest rozmieszczonych sześć anionów tlenowych położonych w wierzchołkach oktaedru. Oktaedry w tlenkach \( \ce{MO_{3}} \) są połączone w sieć trójwymiarową narożami ( Rys. 5 ). W strukturze tej można zauważyć przestrzenny układ wzajemnie prostopadłych tuneli o przekroju kwadratowym. W tych wolnych przestrzeniach mogą lokować się jony obcych atomów i jednocześnie mają tam dużą swobodę ruchu. Proces wnikania obcych jonów do struktury krystalicznej danego materiału i zajmowanie w niej dozwolonych położeń stanowi tzw. interkalację.
Moduł opracowano na podstawie [1], [2].
Bibliografia
1. J. Sieniawski, A. Cyunczyk: Struktura ciał stałych, Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów 20082. A. Bielański: Chemia ogólna i nieorganiczna, Państwowe Wydawnictwo Naukowe, Warszawa 1977