Ionengitter

Grundidee und Bindung

Ein Ionengitter oder Ionenkristall ist die regelmäßige räumliche Anordnung von Anionen (negativ geladenen Ionen) und Kationen (positiv geladenen Ionen) in einem homogenen festen Stoff. Zusammengehalten wird der Gitterverband durch Ionenbindungen.

Ionenkristalle sind bekannte Beispiele für Kristalle mit kubischer Gitterstruktur. Dazu zählen das Natriumchlorid-Gitter von Natriumchlorid als kubisch flächenzentrierte Struktur und Caesiumchlorid als kubisch raumzentrierte Struktur.

Aufbau und Koordination

Die Struktur eines Ionengitters hängt vom Größenverhältnis und vom Ladungsverhältnis der Ionen ab. Die Koordination gibt an, von wie vielen Ionen der jeweils anderen Sorte ein Ion umgeben ist.

Wichtige Gittertypen sind:

• Sphalerit (Zinkblende), ZnS: Koordination 4:4. Jedes Zn^{2+}-Ion ist tetraedrisch von 4 S^{2−}-Ionen umgeben; ebenso ist jedes Sulfidion von 4 Zinkkationen umgeben. Das Kristallsystem ist kubisch. Wurtzit hat ebenfalls ZnS und eine 4:4-Koordination, ist jedoch hexagonal.
• Rutil, TiO_{2}: Koordination 3:6. Jedes Ti^{4+}-Ion ist verzerrt oktaedrisch von 6 Oxidionen umgeben; jedes Oxidion ist planar von 3 Titankationen umgeben. Der Bindungscharakter liegt zwischen Ionen- und Atombindung. Das Kristallsystem ist tetragonal.
• Natriumchlorid, NaCl: Koordination 6:6. Jedes Na^{+}-Ion und jedes Cl^{−}-Ion ist oktaedrisch von 6 Ionen der jeweils anderen Sorte umgeben. Das Gitter ist kubisch.
• Calciumfluorid (Fluorit), CaF_{2}: Koordination 4:8. Jedes Ca^{2+}-Ion ist würfelförmig von 8 F^{−}-Ionen umgeben; jedes Fluoridion ist tetraedrisch von 4 Calciumkationen umgeben. Das Kristallsystem ist kubisch.
• Caesiumchlorid, CsCl: Koordination 8:8 und kubisches Kristallsystem.

Weitere Kristallsysteme

Ionengitter kommen auch in anderen Kristallsystemen vor. Kaliumnitrat KNO_{3} mit K^{+} und NO_{3}^{−} ist orthorhombisch. Calcit (Kalkspat) CaCO_{3} mit Ca^{2+} und CO_{3}^{2−} ist trigonal. Natriumchlorat NaClO_{3} mit Na^{+} und ClO_{3}^{−} ist monoklin. Kupfersulfat CuSO_{4} mit Cu^{2+} und SO_{4}^{2−} ist triklin.

Sonderformen

Bei Antistrukturen, beispielsweise der Antifluoritstruktur, sind die Positionen von Anionen und Kationen vertauscht. Ionengitter können außerdem stöchiometrische Mengen kleiner Moleküle in Gitterlücken enthalten, zum Beispiel Kristallwasser.

Bei Schichtengittern bestehen zwischen den Schichten schwächere Kräfte: Orthoborsäure H_{3}BO_{3} bildet als planares Molekül im festen Zustand durch Wasserstoffbrücken zweidimensionale Blätter. Diese sind übereinandergestapelt und werden zwischen den Schichten durch Van-der-Waals-Wechselwirkung zusammengehalten.

Bei Sandwich-Gittern liegt, etwa bei CdI_{2} und CdCl_{2}, eine Kationenschicht zwischen zwei Anionenschichten. Die Anziehungskräfte zwischen den Schichten sind relativ schwach. Die Dreierlagen können ABAB… gestapelt sein, wie bei CdI_{2}, Mg(OH){2} und PbI{2}, oder ABCABC…, wie bei CdCl_{2}, FeCl_{2} und MgCl_{2}.