7.4.2. Der Natriumchlorid–Strukturtyp
Der Natriumchlorid–Strukturtyp ist einer der häufigsten und wichtigsten Strukturtypen.
Er ist sehr symmetrisch aufgebaut, daher übersichtlich und leicht zu verstehen.
Bild 1 : Ausschnitt aus dem Natriumchlorid–Strukturtyp. Der Ausschnitt hat eine
Größe von 2 Elementarzellen. Die violetten Kugeln stehen für Natriumionen, die grünen für Chlorionen.
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Natriumchlorid–Strukturtyp interaktiv.
7.4.2.1. Beschreibung
Bild 2 : Gitter der Natrium– und Chlor–Ionen
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Die Natriumionen bilden ein kubisch flächenzentriertes Gitter, also eine kubisch dichteste Kugelpackung. An den 8 Ecken eines Würfels sitzt jeweils ein Natriumion, außerdem in der Mitte jeder der 6 Würfelflächen. Die Chlorionen besetzen die Oktaederlücken.
Die Chlorionen, für sich betrachtet, bilden also auch ein kubisch flächenzentriertes Gitter (= kubisch dichteste Packung), in dessen Oktaederlücken die Natriumionen sind. Im Kristallgitter gibt es also Würfel, die an jeder der 8 Ecken und in der Mitte jeder der 6 Flächen ein Chlorion haben. Bild 2 zeigt die Situation.
Das Gitter der Chlorionen ist gegenüber dem Natriumionen–Gitter versetzt.
Bild 2 zeigt die Situation. Das Gitter der Natriumionen ist durch einen blauen Würfel markiert. In den Bildern 2, 3 und 4 sind zwischen den Natriumionen (violett gezeichnet) und den Chlorionen (grün) stabartige Gebilde. Dies sind keine gerichteten Bindungen, sondern sie sollen suggestiv die Anziehungskräfte zwischen den entgegegen gesetzt geladenen Ionen verdeutlichen.
- mehr über die kubisch–dichteste Kugelpackung : Kapitel 7.3.2.
- mehr über die Oktaederlücken in der kubisch–dichtesten Kugelpackung : : Beschreibung mit Bildern oder lieber mit etwas Mathematik und Bildern
Ansehen : Starten Sie die JSmol–Visualisierung durch Anklicken des Links unter Bild 2. Die violetten Kugeln stehen für Natriumionen, die grünen für Chlorionen. In der Visualisierung können Sie in mehreren Stufen erst das kubisch flächenzentrierte Gitter der Natriumionen, dann das Gitter der Chlorionen ein– und wieder ausblenden.
7.4.2.2. Koordination
Jedes Natriumion hat als nächste Nachbarn 6 Chlorionen. Diese Chlorionen umgeben das Natriumion oktaedrisch. Das heißt, im Zentrum eines Oktaeders befindet sich ein Natriumion, an den 6 Ecken des Oktaeders je ein Chlorion.
Ebenso hat jedes Chlorion 6 Natriumionen als Nachbarn, die es oktaedrisch umgeben. Die Bilder 3 und 4 zeigen die Umgebungen.
Sowohl Natriumionen als auch Chlorionen haben also die Koordinationszahl 6.
Bild 3 : Umgebung eines Natriumions
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Bild 4 : Umgebung eines Chlorions
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Ansehen : Starten Sie die JSmol–Visualisierung durch Anklicken eines der beiden Links unter den Bildern 3 und 4. Die violetten Kugeln stehen für Natriumionen, die grünen für Chlorionen. In der Visualisierung können Sie in 2 Stufen die oktaedrischen Umgebungen eines Natriumions (blau) und eines Chlorions (rot) unabhängig voneinander ein– und wieder ausblenden.
7.4.2.3. Vorkommen
Der Natriumchlorid–Typ ist einer der häufigsten Strukturtypen. Bereits in der klassischen Datensammlung von Wyckoff aus den 1960er Jahren (Lit. L–102) werden 220 Stoffe genannt, die diesen Strukturtyp annehmen. Die folgenden Beispiele sind also völlig willkürlich ausgewählt.
| Stoff | Radius des Kations in Picometern (pm) |
Radius des Anions in Picometern (pm) |
Quotient der Radien |
|---|---|---|---|
| NaCl | 116 | 167 | 0,695 |
| KI | 152 | 206 | 0,738 |
| CaO | 114 | 126 | 0,905 |
| PbS | 133 | 170 | 0,782 |
| YbSb | 101 | (195) | 0,518 |
| PdH0,7 | (160) | (41) | 0,256 |
Tabelle 1 : Stoffe, die den Natriumchlorid–Strukturtyp annehmen (Auswahl). Die Werte für Ionenradien sind aus Lit. L–12.
Der Natriumchlorid–Strukturtyp ist bei Ionenverbindungen mit der allgemeinen Formel AB der geometrisch günstigste, wenn der Quotient aus den Radien der beiden Ionen zwischen 0,414 und 0,732 liegt. Für die Beispiele ist diese Bedingung, nun ja, freundlich gesagt, teilweise erfüllt.
- CaO hat von den 6 Verbindungen den deutlichsten Ionencharakter, nur ist die Bedingung nicht erfüllt.
- NaCl, das klassische Beispiel, hat einen etwas geringeren Ionencharakter, und KI einen noch geringeren. Die Bedingung ist einmal gut erfüllt, einmal ganz knapp verpasst.
- YbSb ist eine mäßig polare Verbindung, die Bindung hat also recht große Atombindungsanteile. Da liegen sicher keine Yb3+– oder Sb3––Ionen vor. Trotzdem habe ich für Yb den Radius des 3+–Ions genommen (weil leicht zugänglich), für Sb die Differenz zur Elementarzelle. Und es passt. Aber das ist kein Argument für irgendetwas.
- Auch PbS kann man nicht allzu gut mit dem Modell der Ionenbindung beschreiben. Es ist ein Halbleiter, seine Bindungen sind mäßig polar, und die Bedingung ist nicht erfüllt.
- Und PdH0,7 ist sowieso in vielerlei Hinsicht ein Sonderfall. Man sollte nichts hineininterpretieren, was nicht drin ist.
7.4.2.4. Beispiele
Alle Daten zu den Bildern 5 bis 9 und 11 sind aus L–102, Band 1, S. 85 – 91 (Zugehörigkeit zum Strukturtyp und Größe der Elementarzelle) und L–12 (Ionenradien).
In den Bildern sind alle Ionen auf halbe Größe reduziert.
Bild 5 : Natriumchlorid (Elementarzelle)
Farbcodes :
Natrium,
Chlor
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Bild 6 : Kaliumiodid (Elementarzelle)
Farbcodes :
Kalium,
Iod
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Natriumchlorid (NaCl), Kaliumiodid (KI) und die anderen
Nicht nur diese beiden, sondern fast alle Alkalihalogenide (im einzelnen sind es LiF, LiCl, LiBr, LiI, NaF, NaCl, NaBr, NaI, KF, KCl, KBr, KI, RbF, RbCl, RbBr, RbI, CsF, es fehlen nur CsCl, CsBr und CsI) kristallisieren im Natriumchlorid–Strukturtyp, ebenso 3 der 4 Silberhalogenide (AgF, AgCl, AgBr).
Die Bilder 5 und 6 zeigen Ausschnitte aus den Kristallstrukturen von Natriumchlorid (NaCl) und Kaliumiodid (KI) von der Größe jeweils einer Elementarzelle.
physikalische Eigenschaften von Natriumchlorid
- Schmelzpunkt : 800,7 °C
- Siedepunkt : 1465 °C
- Dichte bei 20 °C : 2,17 g/cm3
- Löslichkeit bei 20 °C : 358,9 g/l
- CAS-Nr. : 7647–14–5
physikalische Eigenschaften von Kaliumiodid
- Schmelzpunkt : 681 °C
- Siedepunkt : 1324 °C
- Dichte bei 20 °C : 3,12 g/cm3
- Löslichkeit bei 20 °C : 1440 g/l
- CAS-Nr. : 7681–11–0
Mehr über Natriumchlorid erfahren Sie auf der Natriumchloridseite.
Mehr über einen Schulversuch, bei dem Kaliumiodid als Katalysator verwendet wird, erfahren Sie auf der Seite über den Schaumturmversuch.
Mehr über die nicht im Natriumchlorid–Typ kristallisierenden Alkalihalogenide (CsCl, CsBr, CsI) erfahren Sie in Kapitel xxx, mehr über AgI in Kapitel xxx.
Mehr über die Schmelzpunkte der Alkalihalogenide erfahren Sie in Kapitel xxx – demnächst.
Bild 7 : Calciumoxid (Elementarzelle)
Farbcodes :
Calcium,
Sauerstoff
Calciumoxid ansehen
Bild 8 : Blei–II–sulfid (Elementarzelle)
Farbcodes :
Blei,
Schwefel
Bleisulfid ansehen
Bild 9 : Ytterbiumantimonid (Elementarzelle)
Farbcodes :
Ytterbium,
Antimon
Ytterbiumantimonid ansehen
Calciumoxid (CaO), Blei–II–sulfid, Ytterbiumantimonid (YbSb) und die anderen
Viele Verbindungen aus Erdalkalimetallen (sowie anderen zweiwertigen Metallen) und Elementen der 6. Hauptgruppe kristallisieren im Natriumchlorid–Strukturtyp, ebenso Verbindungen aus dreiwertigen Kationen und Elementen der 5. Hauptgruppe. Calciumoxid (Bild 7), Bleisulfid (Bild 8) und Ytterbiumantimonid (Bild 9) stehen dafür als Beispiele.
physikalische Eigenschaften von Calciumoxid
- Schmelzpunkt : 2927 °C
- Dichte bei 20 °C : 3,34 g/cm3
- CAS-Nr. : 1305–78–8
physikalische Eigenschaften von Blei–II–sulfid
- Schmelzpunkt : 1118 °C
- Dichte bei 20 °C : 7,60 g/cm3
- Löslichkeit bei 20 °C : 6,77 ⋅ 10–12 g/l
- CAS-Nr. : 1314–87–0
physikalische Eigenschaften von Ytterbiumantimonid
Solche wurden bisher nicht veröffentlicht.
- CAS-Nr. : 12039–34–8
Bild 10 : Kristall aus Galenit (Bleisulfid), Bildbreite ca. 1,8 cm.
Galenit
Bleisulfid kommt als Mineral in der Natur vor. Es hat dann die Namen Bleiglanz oder Galenit.
Bild 10 zeigt einen Galenit–Kristall. Schnell sieht man Elemente, die man als Teile von Würfeln interpretieren kann. Hier spiegelt sich die Kristallstruktur in der äußeren Erscheinung wider.
Es finden sich aber auch schräge Kanten, besonders in dem „Hügel” nahe der Bildmitte, links unten und in den kleinen Wuchsformen links oben. Warum es ganz normal ist, so etwas in Kristallen mit kubischer Struktur zu finden, erfahren Sie in Kapitel xxx – demnächst.
Bild 11 : Palladiumhydrid (Elementarzelle)
Farbcodes :
Palladium,
Wasserstoff
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Einer bekommt die Kiste nicht voll – Palladiumhydrid (PdH0,7)
Palladiumhydrid hat die Formel PdH0,7 und kristallisiert im Natriumchlorid–Strukturtyp. Nur 70 % der Anionenplätze sind von Wasserstoffionen besetzt; deren Verteilung ist zufällig. In der JSmol–Visualisierung erhalten Sie jedesmal eine andere Verteilung der Wasserstoffionen.
Bild 11 zeigt einen Ausschnitt seiner Kristallstruktur. Einige Anionenplätze sind unbesetzt (etwa der auf der vorderen rechten Würfelkante), andere sind zwar besetzt, aber die Ionen sind trotzdem nicht sichtbar, da sie sich aufgrund ihrer Winzigkeit hinter den großen Palladiumionen verstecken.
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