Defecto de Frenkel

Defecto cristalográfico en el que los átomos se desplazan de sus lugares en la estructura.

En cristalografía , un defecto de Frenkel es un tipo de defecto puntual en sólidos cristalinos , llamado así por su descubridor Yakov Frenkel . ^[1] El defecto se forma cuando un átomo o un ion más pequeño (generalmente un catión ) abandona su lugar en la estructura, creando una vacante y se convierte en un intersticial al alojarse en una ubicación cercana. ^[2] En los sistemas elementales, se generan principalmente durante la irradiación de partículas , ya que su entalpía de formación suele ser mucho mayor que para otros defectos puntuales, como las vacantes, y por lo tanto su concentración de equilibrio según la distribución de Boltzmann está por debajo del límite de detección. ^{[ cita requerida ]} En los cristales iónicos, que generalmente poseen un número de coordinación bajo o una disparidad considerable en los tamaños de los iones, este defecto también se puede generar de forma espontánea, donde el ion más pequeño (generalmente el catión ) se disloca. ^{[ cita requerida ]} De manera similar a un defecto Schottky , el defecto de Frenkel es un defecto estequiométrico (no cambia la estequiometría general del compuesto). En los compuestos iónicos, la vacante y el defecto intersticial involucrados tienen cargas opuestas y se podría esperar que estén ubicados cerca uno del otro debido a la atracción electrostática. Sin embargo, es poco probable que este sea el caso en el material real debido a la menor entropía de un defecto acoplado de este tipo, o porque los dos defectos podrían colapsar uno en el otro. ^[3] Además, debido a que estos defectos complejos acoplados son estequiométricos, su concentración será independiente de las condiciones químicas. ^[4]

Efecto sobre la densidad

Aunque los defectos de Frenkel involucran solamente la migración de iones dentro del cristal, el volumen total y por lo tanto la densidad no necesariamente cambian: en particular para sistemas compactos , la expansión estructural debido a las tensiones inducidas por el átomo intersticial típicamente domina sobre la contracción estructural debido a la vacante, lo que lleva a una disminución de la densidad. ^{[ cita requerida ]}

Ejemplos

Los defectos de Frenkel se presentan en sólidos iónicos con una gran diferencia de tamaño entre el anión y el catión (el catión suele ser más pequeño debido a una mayor carga nuclear efectiva ).

Algunos ejemplos de sólidos que presentan defectos de Frenkel:

sulfuro de zinc ,
cloruro de plata (I) ,
bromuro de plata (I) (también muestra defectos de Schottky ),
yoduro de plata (I) .

Esto se debe al tamaño comparativamente más pequeño de los iones y . $Estilo de visualización: Zn2+$ ${\ce {Ag+}}$

Por ejemplo, considere una estructura formada por iones X ^{n −} y M ^{n +} . Suponga que un ion M abandona la subred M, dejando la subred X sin cambios. El número de intersticios formados será igual al número de vacantes formadas.

Una forma de una reacción de defecto de Frenkel en MgO con el anión óxido abandonando la estructura y entrando en el sitio intersticial escrito en notación Kröger-Vink :

Mg^×
_Mg+ O^×
_O→ O^{yo ${\estilo de visualización \prime \prime}$}
+v^••
_Oh+Mg^×
_Mg

Esto se puede ilustrar con el ejemplo de la estructura cristalina del cloruro de sodio. Los diagramas que aparecen a continuación son representaciones esquemáticas bidimensionales.

Dos defectos de Frenkel dentro de la estructura del NaCl

Véase también

Referencias

^ Frenkel, Yakov (1926). "Über die Wärmebewegung in festen und flüssigen Körpern" [Sobre el movimiento térmico en sólidos y líquidos]. Zeitschrift für Physik . 35 (8). Saltador: 652–669. Código Bib : 1926ZPhy...35..652F. doi :10.1007/BF01379812. S2CID 121391169.
^ Ashcroft y Mermin (1976). Química del estado sólido. Cengage Learning. pp. 620. ISBN 0030839939.
^ Gorai, Prashun; Stevanovic, Vladan (2020). "Comentario sobre "Comprensión del comportamiento intrínseco de tipo P y la estabilidad de fase del α-Mg3Sb2 termoeléctrico"". ACS Applied Energy Materials . 3 : 106–108. doi : 10.1021/acsaem.9b01918 . S2CID 211212284.
^ Anand, Shashwat; Toriyama, Micheal; Wolverton, Chris; Snyder, Jeff (2022). "Una comprensión convergente de los defectos cargados". Accounts of Materials Research . 3 (7): 685–696. doi :10.1021/accountsmr.2c00044. S2CID 249932959.

Lectura adicional

Kittel, Charles (2005). Introducción a la física del estado sólido (8.ª ed.). Wiley. pp. 585–588. ISBN 0-471-41526-X.

[1] Frenkel, Yakov (1926). "Über die Wärmebewegung in festen und flüssigen Körpern" [Sobre el movimiento térmico en sólidos y líquidos]. Zeitschrift für Physik . 35 (8). Saltador: 652–669. Código Bib : 1926ZPhy...35..652F. doi :10.1007/BF01379812. S2CID 121391169.

[2] Ashcroft y Mermin (1976). Química del estado sólido. Cengage Learning. pp. 620. ISBN 0030839939.

[3] Gorai, Prashun; Stevanovic, Vladan (2020). "Comentario sobre "Comprensión del comportamiento intrínseco de tipo P y la estabilidad de fase del α-Mg3Sb2 termoeléctrico"". ACS Applied Energy Materials . 3 : 106–108. doi : 10.1021/acsaem.9b01918 . S2CID 211212284.

[4] Anand, Shashwat; Toriyama, Micheal; Wolverton, Chris; Snyder, Jeff (2022). "Una comprensión convergente de los defectos cargados". Accounts of Materials Research . 3 (7): 685–696. doi :10.1021/accountsmr.2c00044. S2CID 249932959.