- Universität zu Köln

Neue reduzierte Halogenide einiger
Selten-Erd-Elemente
Inaugural-Dissertation
zur Erlangung des Doktorgrades
der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät
der Universität zu Köln
vorgelegt von
Niels Gerlitzki
aus Leverkusen
Köln 2002
Berichterstatter: Prof. Dr. G. Meyer
Prof. Dr. W. Jung
Tag der mündlichen Prüfung:
27.05.2002
Die experimentellen Untersuchungen zu der vorliegenden Arbeit wurden in der Zeit von
Februar 2000 bis März 2002 am Institut für Anorganische Chemie der Universität zu Köln
unter der Anleitung von Prof. Dr. G. Meyer durchgeführt.
Herrn Prof. Dr. G. Meyer danke ich für sein stetes Interesse und die großzügige Förderung
und Unterstützung dieser Arbeit.
Für meinen Vater
Abstract
Ziel dieser Arbeit war die Synthese neuer ternärer Iodide der Selten-Erd-Elemente mit
Erdalkalikationen. Durch Reduktion von LaI3 mit elementarem Strontium gelang die Synthese des ersten ternären Selten-Erd-Iodids mit einem Erdalkalikation. In SrLaI4 und dem
dazu isotypen BaLaI4 liegen Stränge flächenverknüpfter quadratischer [LaI8]-Antiprismen
vor, die entlang [100] verlaufen. Eine Ausordnung der Lanthan- und Erdalkalikationen auf
kristallographisch verschiedene Lagen kann durch die Existenz eines überschüssigen
Elektrons erklärt werden, das sich in einem 5d-Zustand der Lanthan-Ionen befindet. Durch
Wechselwirkungen der überschüssigen Elektronen benachbarter Lanthan-Ionen kommt es
zur Bildung der [LaI8]-Polyederstränge. Die Erdalkali-Ionen sind ebenfalls quadratischantiprismatisch von I--Ionen umgeben und wirken verbrückend zwischen benachbarten [LaI8]Strängen. Daneben lieferte die Reduktion von LaI3 mit Strontium auch LaI2, dessen Kristallstruktur erstmals an Einkristallen bestimmt werden konnte.
In einer Nebenreaktion traten bei der Umsetzung von LaI3 mit Barium Kristalle der Zusammensetzung La9O4I16 auf. In der Kristallstruktur von La9O4I16 treten Ketten transkantenverknüpfter [La4O]-Tetraeder auf, die entlang [010] über isolierte quadratisch-antiprismatische [LaI8]-Einheiten verbrückt sind.
Reduktion von PrI3 mit Barium führt dagegen zur Bildung von Ba6Pr3I19. In Ba6Pr3I19 liegen
ebenfalls quadratisch-antiprismatisch koordinierte Praseodym-Ionen vor, die über gemeinsame Flächen zu Strängen zusammengefaßt sind. Diese Stränge sind jedoch so durch leere
würfelförmige Polyeder unterbrochen, dass isolierte [Pr3I16]-Einheiten vorliegen. Drei kristallographisch unterschiedliche Barium-Ionen, die in Form unregelmäßiger Polyeder koordiniert sind, sorgen für die Verbrückung der Einheiten.
Reduktion von PrI3 mit Strontium führte zur Bildung von Pr2I5.
Umsetzung von ScI3 mit Strontium führte zu Sc0,87I2, das im CdI2-Typ kristallisiert, dessen
Oktaederplätze jedoch nur zu 87% besetzt sind.
Die Reaktion von NdI3 mit Strontium führte zu einem Mischkristall der Zusammensetzung
Sr0,41Nd0,59I2, der in der Kristallstruktur von SrI2 kristallisiert.
Erste Versuche zur Synthese eines ternären Selten-Erd-Bromids führten nicht zur erwarteten
Verbindung. Es wurden Kristalle der Zusammensetzung La4OBr7 erhalten, in denen isolierte [La4O]-Tetraeder vorliegen, die durch vier unterschiedlich koordinierende Bromid-Ionen
miteinander verbrückt sind.
Im System Dy / DyI3 konnten durch geeignete Präparation Kristalle von DyI2 erhalten werden,
dessen Kristallstruktur erstmals anhand von Einkristalldaten aufgeklärt wurde.
Versuche zur Synthese einer Modifikation von PrI2 führten zu Kristallen der Modifikationen IV und V, deren Auftreten als abhängig von der Abkühlgeschwindigkeit zu bezeichnen
ist.
Abstract
The intention of this work was the preparation of new ternary iodides of the rare earth elements
with alkaline earth cations. Reduction of LaI3 with elemental strontium led to the first compound
of a ternary rare earth iodide with an alkaline earth cation. In SrLaI4 and the isotypic BaLaI4
chains of face sharing [LaI8] square-antiprisms are running parallel to [100]. The separation
of lanthanum and alkaline earth cations in different crystallographic positions can be explained
by the existence of a single electron in a 5d-state of the rare earth cation. Interactions between
these electrons of adjacent lanthanum ions led to the formation of [LaI8] polyhedral chains.
The alkaline earth cations are coordinated in the same way as the [LaI8]-polyhedras by iodide
to bridge adjacent chains of [LaI8]-polyhedra. In addition, the reaction of LaI3 with elemental
strontium yielded in the formation of single crystals of LaI2.
Crystals of La9O4I16 have been obtained by a side reaction of LaI3 with barium. The crystal
structure of La9O4I16 exhibits trans-edge connected chains of [La4O] tetrahedra running along
[101]. Layers of these chains are connected via isolated [LaI8] square-antiprisms along [010].
Reduction of PrI3 with barium resulted in the formation of Ba6Pr3I19. In Ba6Pr3I19 squareantiprisms of [PrI8] are also found, which are connected in the same way as in BaLaI4 and
SrLaI4, respectively, but with infinite chains interrupted after every third [PrI8] polyhedron by
cubic gaps to form isolated [Pr3I16] units. Adjacent [Pr3I16] units are connected via three
crystallographically different barium cations. By reduction of PrI3 with strontium, Pr2I5 was
obtained.
Reaction of ScI3 with elemental strontium led to another phase in the system Sc / ScI3. Sc0,87I2
crystallizes in the CdI2-type of structure where 87% of all octahedral vacancies are filled with
scandium cations.
Reduction of NdI3 with strontium resulted in the formation of a mixed crystal with a
composition according to Sr0,41Nd0,59I2 crystallizing with the SrI2 type of structure .
First investigations of ternary reduced rare earth bromides with alkaline earths did not result
in a compound BaLaBr4. Reaction of barium with LaBr3 led to La4OBr7 which contains isolated
[La4O] tetrahedral units. These units are connected via four crystallographically different
bromide ions to form a three-dimensional network.
In the system Dy / DyI3 single crystals of DyI2 were obtained, whose crystal structure could be
determinated for the first time by single crystal diffractometry.
Attempts to synthesize one of the known modifications of PrI2 have resulted in a cooling rate
dependent crystallization of the modifications IV and V.
Inhaltsverzeichnis
I. Einleitung
1
II. Allgemeine Grundlagen
3
II.1 Apparative Grundlagen
3
II.1.1 Argon-Handschuhbox
3
II.1.2 Lichtbogenschweißanlage
3
II.1.3 Vakuum- und Schutzgasapparatur
3
II.1.4 Sublimationsapparatur
4
II.2 Röntgenographische Methoden
4
II.2.1 Röntgendiffraktometrie an Pulvern
4
II.2.2 Röntgendiffraktometrie an Einkristallen
4
II.3 Präparative Grundlagen
II.3.1 Darstellung der Selten-Erd-Triiodide
5
5
II.3.2 Darstellung der Selten-Erd-Tribromide
II.4 Käufliche Chemikalien
6
6
II.5 Verwendete Computerprogramme
7
III. Spezieller Teil
III.1 Offene Fragen: Untersuchungen in den Zweikomponenten-
8
8
systemen Dy / DyI3 und Pr / PrI3
III.1.1 Stand der Forschung
8
III.1.2 Untersuchungen im Zweikomponentensystem Dy / DyI3
III.1.3 Untersuchungen im Zweikomponentensystem Pr / PrI3:
9
14
Versuche zur gezielten Synthese einer Modifikation
III.2 Barium und Strontium als Reduktionsmittel für Selten-Erd-
23
Triiodide: Untersuchungen in den Systemen B / MI3 (B = Sr, Ba;
M = Sc, La, Ce, Pr, Nd)
III.2.1 Zielsetzung
III.2.2 Darstellung und Kristallstruktur von Sc0,87I2
23
26
III.2.3 Mischkristallbildung im System Sr / NdI3
III.2.4 Ternäre Verbindungen in den Systemen Sr / LaI3 und
31
37
Ba / LaI3: Eindimensionale Stränge flächenverknüpfter
[LaI8]-Polyeder in SrLaI4 und BaLaI4
III.2.5 Die Bildung von LaI2 in System Sr / LaI3
47
III.2.6 Existiert SrPrI4? Das System Sr / PrI3 und die Bildung
von Pr2I5
52
III.2.7 Untersuchungen im System Ba / PrI3: Unterbrochene Stränge
von flächenverknüpften [PrI8]-Polyedern in Ba6Pr3I19
62
III.3 Verbindungen mit [La4O]-Tetraedern als strukturgebendem Merkmal
III.3.1 Vorbemerkungen
73
73
III.3.2 Trans-kettenverknüpfte [La4O]-Tetraeder in La9O4I16
75
III.3.3 Erste Versuche zur Reduktion von Selten-Erd-Tribromiden
mit Barium: La4OBr7
IV. Zusammenfassung und Ausblick
V. Literatur
84
94
104
1
I. Einleitung
In unseren Alltag haben die Selten-Erd-Elemente Zugang mit sehr breitem Anwendungsgebiet
gefunden. So finden sich Selten-Erd-Verbindungen als Phosphore in Leuchtstoffröhren, Dioden und Bildschirmen, aber auch der Einsatz als Katalysator oder in Keramiken der Elektronikindustrie sowie in Supraleitern zeigt einen breiten Anwendungsbereich der Elemente La-Lu,
Y und Sc, wobei hier nur einige Beispiele genannt sein sollen [1,2].
Reduzierte Selten-Erd-Halogenide haben seit ersten Synthesen, z.B. durch Döll und Klemm
[3], immer wieder durch ihre unterschiedliche Erscheinungsform fasziniert. Dies kann durch
das Auftreten von zwei verschiedenen Typen der reduzierten Selten-Erd-Halogenide illustriert
werden. Zum einen findet man salzartige Verbindungen, in denen die Selten-Erd-Ionen im
zweiwertigen Zustand vorliegen, die zumeist isotyp zu den länger bekannten Verbindungen der
Erdalkalimetalle kristallisieren. Die Halogenide des Typs AMX3 (A = Alkali-, M = SeltenErd-Metall, X = Cl, Br und I) bilden den Perowskit-Typ oder verwandte Strukturen [4]. Andererseits sind reduzierte Selten-Erd-Verbindungen bekannt, in denen sich das Selten-Erd-Ion
nur formal in einer Oxidationsstufe < 3 befindet. Dabei liegt das breite 5d-Band bei tieferer
Energie als das schmale 4f-Band, so dass sich die Konfiguration 4fn 5d1 ergibt. Diese „zusätzlichen“ Elektronen stabilisieren so nicht selten die Verbindung durch Ausbildung von MetallMetall-Bindungen. Hier sei nur an die große Vielfalt metallreicher Systeme gedacht, in denen
Metallcluster auftreten. Als Beispiele sollen Gd2Cl3 [5,6] und Ce12I17Mn [7] genügen. Aufwendige Präparation erschwert den Zugang zu phasenreinen Substanzproben, an denen physikalische Messungen durchgeführt werden können. Dennoch konnte an Pulverproben von GdI2
Giant MagnetoResistance (GMR) [8,9] und ein Übergang der magnetischen Ordnung bei Raumtemperatur [10] festgestellt werden. LaI2 zeigt zweidimensionale metallische Leitfähigkeit
[11,12].
Da reduzierte Verbindungen der Systeme Selten-Erd-Halogenid / Alkalimetall in der Vergangenheit bereits eingehend untersucht wurden [13,14], sollten jetzt Arbeiten in den Systemen
Selten-Erd-Triiodid / Erdalkalimetall folgen. Hier war zu erwarten, dass unter reduzierenden
Bedingungen unterschiedliches Verhalten je nach eingesetztem Selten-Erd-Element auftritt.
Bei der Reduktion von Triiodiden der Lanthanide, die salzartige Diiodide mit zweiwertigen
Selten-Erd-Kationen bilden, ist Mischkristallbildung in bekannten Strukturen der
Erdalkalihalogenide oder der Selten-Erd-Diiodide zu erwarten. Anderes Verhalten sollten
Triiodide der Selten-Erd-Elemente La, Ce, Pr, Gd, und Sc zeigen. Diese Elemente bilden
Diiodide mit metallischem Charakter, in denen sich ein Elektron im 5d-Zustand befindet.
Dieses „überschüssige“ Elektron hat sich für die Diiodide als beeinflussender Faktor für die
2
Kristallstruktur herausgestellt. Alle Diiodide dieser fünf Elemente kristallisieren in Schichtstrukturen, in denen Wechselwirkungen der besetzten 5d-Orbitale miteinander möglich sind,
die zur Stabilität beitragen. Es konnte daher erwartet werden, dass bei der Reduktion Verbindungen dargestellt werden können, in denen sich analog zu den Diiodiden ein Elektron des
Lanthanid-Ions in einem 5d-Zustand befindet. Wechselwirkungen solcher Elektronen miteinander könnten dafür verantwortlich sein, dass eine Ausordnung von Selten-Erd-Kation und
Erdalkaliion in der Kristallstruktur erfolgen kann. Als Folge kann auch hier wieder metallähnliche Leitfähigkeit, in einer oder mehreren Dimensionen, auftreten.
3
II. Allgemeine Grundlagen
1. Apparative Grundlagen
1.1 Argon-Handschuhbox
Aufgrund der Hydrolyse- und Oxidationsempfindlichkeit aller im Rahmen dieser Arbeit verwendeten und synthetisierten Substanzen wurde der Großteil der präparativen Arbeiten unter
Argon-Atmosphäre in Handschuhboxen (Fa. M.Braun, Garching, D) durchgeführt. Das verwendete Schutzgas Argon wird durch einen permanent betriebenen Umwälzbetrieb über Kupferkatalysatoren und Molekularsiebe geleitet, wo es von O2- und H2O-Spuren befreit wird (Konzentrationen kleiner 2 bzw. 0,4 ppm). Zur Präparation der Syntheseansätze befindet sich eine
Waage (Fa. Sartorius, Göttingen, D) innerhalb der Handschuhbox. Zur Begutachtung der Syntheseprodukte ist in die Plexiglasscheibe der Handschuhbox ein Mikroskop (Fa. Leica,
Heerbrugg, CH) eingelassen.
1.2 Lichtbogenschweißapparatur
Die Synthesen wurden ausschließlich in verschweißten Tantalampullen durchgeführt, die aus
kommerziell erhältlichem Tantalrohr (d = 8 mm, Wandstärke 0,5-1 mm, Fa. Plansee, Reutte,
A) angefertigt wurden. Nach Befüllung in der Argon-Handschuhbox wurden die schon einseitig verschweißten Tantalampullen in einer Lichtbogenschweißanlage (Eigenbau, Universität
Gießen) verschlossen. Der Schweißvorgang erfolgte unter Heliumatmosphäre (750 mbar)
bei einem Arbeitsstrom von 8-10 Ampère.
1.3 Vakuum- und Schutzgasapparatur
Die befüllten und verschweißten Tantalampullen wurden zum Schutz vor Oxidation in einseitig verschlossene Kieselglasrohre gegeben, die anschließend zum Verschließen stark verengt
mit Hilfe eines Quick-Fit-Ansatzes an der Vakuum- und Schutzgasappartur befestigt wurden.
Die Vakuum- und Schutzgasappartur besteht aus zwei durch Hähne getrennten Apparaturen,
mit deren Hilfe sich angeschlossene Glasgeräte mit einem Schutzgas (hier: Argon, getrocknet und gereinigt über Silicagel, Kaliumhydroxid, Molekularsieb, Phosphorpentoxid und heißem Titanschwamm) fluten lassen oder die mit Hilfe einer Ölrotationspumpe (Fa. Leybold,
Köln, D) evakuiert werden können.
4
1.4 Sublimationsapparatur
Alle im Rahmen dieser Arbeit eingesetzten Selten-Erd-Triiodide wurden zu Reinigungszwecken
sublimiert, um überschüssiges Iod, welches bei der Darstellung der Selten-Erd-Triiodide (siehe
Abschnitt II. 3.1) verwendet wurde, sowie andere Verunreinigungen zu entfernen.
Die Sublimationsapparatur besteht aus einem Pumpenstand (Drehschieberpumpe mit
Öldiffusionspumpe, Typ HP 150B, Fa. Vacuubrand), an dem eine Vakuumapparatur angeschlossen ist, an die sich ein Sublimationsrohr aus Kieselglas mit einem Ofen anbringen läßt. In
dieses Sublimationsrohr wird die zu reinigende Substanz in einem zweiten, kleineren Kieselglasrohr eingebracht, in dem sich auch das Sublimat nach erfolgter Reinigung am oberen Ende
niederschlägt. Die Sublimationstemperaturen liegen in der Regel etwa 50-80 K unterhalb des
Schmelzpumktes der zu reinigenden Substanz.
2. Röntgenographische Methoden
2.1 Röntgendiffraktometrie an Pulvern
Zur Untersuchung von Kristallpulvern (Edukte sowie Syntheseprodukte) stand ein Transmissions-Diffraktometer STADI P (Fa. Stoe, Darmstadt, D) zur Verfügung, welches mit einem
Ge-Primärmonochromator für Cu-K a1 -Strahlung und einem ortsempfindlichen
Proportionalitätsdetektor (PSD) ausgestattet ist, was mit guter Winkelauflösung, zuverlässigen Intensitäten und niedrigem Streustrahlhintergrund einhergeht. Zur Bearbeitung der gewonnenen Meßdaten stand das Programmpaket Visual XPOW [15] zur Verfügung, mit dem die
Meßdaten aufbereitet werden konnten.
Die hydrolyseempfindlichen Substanzen wurden zur Messung in Glaskapillaren (Durchmesser 0,2 mm, Fa. W.Müller, Berlin, D) eingebracht und abgeschmolzen.
2.2 Röntgendiffraktometrie an Einkristallen
Zur Bestimmung von unbekannten Strukturen sind röntgenographische Untersuchungen an
Einkristallen nötig. Die dazu benötigten Einkristalle werden aus dem Reaktionsansatz mit
Hilfe eines Polarisationsmikroskops ausgewählt und in Glaskapillaren (d = 0,1-0,3 mm) eingebracht, die beidseitig abgeschmolzen werden. Zur ersten Prüfung der Kristallqualität können Schwenkaufnahmen, angefertigt mit Hilfe einer Weissenberg-Kamera (Fa. Huber; MoKa-Strahlung), dienen. Die Messung eines vollständigen Intensitätsdatensatzes erfolgt anschließend auf einem Imaging-Plate-Diffraktometer-System, IPDS, (Fa. Stoe, Darmstadt, D). Die-
5
ses Gerät ist mit einer Bildplatte ausgestattet, die aus einer Schicht von mit Eu2+ dotiertem
BaClF besteht. Trifft ein am Kristall gebeugter Röntgenstrahl auf diese Bildplatte, so wird ein
Elektron in das Leitungsband angeregt. Danach können die so gespeicherten Informationen
mit Hilfe eines Helium/Neon-Lasers durch Anregung zur Photonenemission ausgelesen werden. Nach jeder Einzelmessung wird der Kristall um eine Orientierungsachse um 2° gedreht.
Zur Strukturbestimmung und -verfeinerung aus den Datensätzen werden Computerprogramme
herangezogen, die mit Hilfe Direkter Methoden oder einer Patterson-Synthese aus den
Intensitäten Elektronendichten ermitteln und das gewonnene Strukturbild über die Methode
der kleinsten Fehlerquadrate verfeinern (Programme Shelxs-97 [16] und Shelxl-97 [17]). Die
Richtigkeit der bestimmten Struktur wird durch Gütefaktoren (R-Werte, GooF) belegt. Der
Intensitätsdatensatz wird anschließend nach einer Kristallgestalt-Optimierung einer numerischen Absorptionskorrektur (Programme X-Red [18] und X-Shape[19]) unterworfen.
3. Präparative Grundlagen
3.1 Darstellung der Selten-Erd-Triiodide
Die Darstellung der verwendeten Selten-Erd-Triiodide erfolgte ausschließlich aus den Elementen durch Reaktion bei erhöhter Temperatur gemäß:
2 M + 3 I2 =
2 MI3
Die als Reaktionscontainer dienende Kieselglasampulle wurde dazu vorher so aus einem einseitig verschlossenen Kieselglasrohr präpariert, dass in etwa 10 cm Abstand das Rohr stark
verjüngt ist. In der Argon-Handschuhbox wird anschließend das Selten-Erd-Metall eingefüllt.
Mit Hilfe eines Quick-Fit-Ansatzes wird die Kieselglasampulle an die Schutzgasapparatur
angeschlossen und im Argon-Gegenstrom Iod (10 %iger Überschuss) und eine katalytische
Menge NH4I eingebracht. Zum Schließen der Kieselglasampulle wird abschließend die mit
flüssigem Stickstoff eingekühlte Kieselglasampulle unter dynamischem Vakuum abgeschmolzen. In einem Röhrenofen wird das Reaktionsgemisch nach einem von Meyer [20] angegebenen Temperaturprogramm (100°C (1h), 150°C (1h), 185°C (12h), 230°C (6h) und abschließende Abkühlung auf Raumtemperatur) zur Reaktion gebracht. Nach erfolgter Umsetzung wird
das überschüssige Iod unter Erwärmung im Vakuum vom gebildeten Selten-Erd-Triiodid entfernt. Das Selten-Erd-Triiodid wird abschließend zur Reinigung sublimiert.
6
3.2 Darstellung von Selten-Erd-Tribromiden
Selten-Erd-Tribromide lassen sich schnell und einfach über die wäßrige AmmoniumbromidRoute in großer Menge darstellen. Dazu wird das Selten-Erd-Oxid (in den meisten Fällen das
Sesquioxid M2O3) in konz. HBr gelöst. Anschließend wird Ammoniumbromid in einem sechsfachen Überschuß (bezogen auf das eingesetzte Selten-Erd-Element) in die Lösung gegeben
und zur Trockene eingedampft. Das dabei erhaltene (NH4)xMBr3+x · yH2O (x = 2 für M = LaNd, x = 3 für Sm-Lu, Y, Sc) wird anschließend in einer Zersetzungsapparatur unter kontinuierlichem Pumpenvakuum bei ca. 400-450°C von dem anhaftenden Hydrat-Wasser und
Ammoniumbromid befreit. Das so erhaltene MBr3 wird in der Sublimationsapparatur gereinigt. Eine eingehendere Beschreibung zur Darstellung von Selten-Erd-Tribromiden (und auch
-Trichloriden) findet sich bei Meyer und Morss [21].
4. Käufliche Chemikalien
Iod, doppelt sublimiert
Merck, Darmstadt, D
Strontium (99,9%)
Aldrich, Milwaukee, USA
Barium (99,9%)
Aldrich, Milwaukee, USA
Lanthan (99,9%)
Aldrich, Milwaukee, USA
Cer (99,9%)
Aldrich, Milwaukee, USA
Praseodym (99,9%)
Heraeus, Karlsruhe, D; Strem, Newburyport, USA
Neodym (99,9%)
Aldrich, Milwaukee, USA
Dysprosium (99,9%)
Acros, Geel, Belgien
Scandium (99,9%)
Aldrich, Milwaukee, USA
NH4I p.a.
Merck, Darmstadt, D
NH4Br p.a.
Merck, Darmstadt, D
HBr-Lösung (47%ig)
Merck, Darmstadt, D
Tantal-Rohr
Plansee, Reuthe, A
Kieselglasrohr
Merck, Darmstadt, D
Glaskapillaren
Müller, Schönwalde, D
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5. Verwendete Computerprogramme
DIAMOND 2.1[22]
Visualisierungsprogramm für Kristallstrukturen
SHELXS-97 [16]
Strukturbestimmung durch Direkte Methoden bzw.
Patterson-Synthese
SHELXL-97 [17]
Strukturverfeinerung auf Basis der F²-Werte mit
„non-linear-least-squares“-Methoden
X-RED [18]
Datenreduktion für Einkristalldiffraktometerdaten
X-SHAPE [19]
Kristallgestaltoptimierung
VISUAL XPOW [20]
Indizierung und Gitterparameterverfeinerung von
Pulverdiffraktometerdaten
PLATON [23]
Programmpaket zur geometrischen Auswertung von
Strukturdaten
8
III. Spezieller Teil
III.1 Offene Fragen: Untersuchungen in den Zweikomponentensystemen Dy/DyI3 und Pr/PrI3
1.1 Stand der Forschung
Vergleicht man die bekannten Diiodide der Selten-Erd-Elemente miteinander, so fällt die
Zweiteilung in salzartige und (halb-)metallische Diiodide auf. Während in den salzartigen Diiodiden das Selten-Erd-Metall als echtes zweiwertiges Ion vorliegt, findet man in den (halb-)metallischen Diiodiden das Selten-Erd-Ion im dreiwertigen Zustand. Das überschüssige Elektron befindet sich hier in den 5d-Orbitalen und trägt zum Teil zu bindenden Wechselwirkungen zwischen benachbarten Metallionen in der Kristallstruktur bei.
Diiodide des salzartigen Typs werden von Neodym, Samarium, Europium, Dysprosium, Thulium und Ytterbium gebildet. Sie kristallisieren in einfachen Kristallstrukturen, die meist mit
jenen der Erdalkalihalogenide identisch oder zumindest verwandt sind.
Diiodide des „metallischen Typs“ werden von den Elementen Lanthan, Cer, Praseodym,
Gadolinium und Scandium gebildet. Sie kristallisieren in schichtartigen Strukturen, die der
Ausbildung von Leitungsbändern durch die 5d-Orbitale förderlich sind. Man findet eine starke Überlappung der 5d-Orbitale in den Strukturen. Für diese Diiodide werden metallisch leitende Eigenschaften gefunden, da hier die überschüssigen Elektronen z.T. zweidimensional
frei beweglich sind. Yttrium, Terbium, Holmium, Erbium und Lutetium bilden keine Diiodide.
Bei genauerer Betrachtung der metallischen Diiodide fällt die Vielfalt der Modifikationen
beim PrI2 auf, die in seiner Art bei den Selten-Erd-Diiodiden bislang einzigartig ist.
Bärnighausen und Warkentin [24] berichten von fünf verschiedenen Modifikationen, konnten jedoch die Bedingungen nicht angeben, unter welchen eine bestimmte Modifikation bevorzugt auftritt.
Das Diiodid des Dysprosiums kristallisiert im CdCl2-Typ und konnte bislang nur durch Röntgenpulvermessungen charakterisiert werden. Untersuchungen mittels 161Dy-Mössbauer-Spektroskopie haben die Zweiwertigkeit des Dy-Ions in DyI2 belegt [25]. Da jedoch die Diiodide der
mittleren Selten-Erd-Elemente Nd, Sm und Eu Phasenumwandlungen unter hohem Druck zeigen [26,27,28], stellt sich die Frage, ob auch Hochdruckmodifikationen der Diiodide der späten Selten-Erd-Elemente Dy, Tm und Yb existieren.
9
III.1.2 Untersuchungen im Zweikomponentensystem Dy/DyI3
Allgemeines
Dysprosium(II)-Iodid gehört wie NdI2, SmI2, EuI2, TmI2 und YbI2 zu den salzartigen Diiodiden
der Selten-Erd-Elemente (allgemeine Elektronenkonfiguration: [Xe] 4fn+1 5d0 6s0). Abgesehen von EuI2 und dem isotypen SmI2, welche in einem eigenen Strukturtypen auftreten, kristallisieren die Diiodide in einfachen, lange bekannten Strukturtypen: SrBr2 für NdI2 (tetragonal,
P 4/n), CdI2 für TmI2 und YbI2 (hexagonal, R 3m) sowie CdCl2 für DyI2 (ebenfalls hexagonal,
R 3m). Dabei wurde DyI2 als letztes strukturell anhand von Pulverdaten von Bärnighausen
und Warkentin [29] charakterisiert. Einkristallmessungen sind bislang nicht bekannt geworden.
Für NdI2 wurde von Beck eine druckinduzierte Phasenumwandlung festgestellt [26]. Das zunächst aus NdI3 und Nd-Metall dargestellte NdI2 wurde dabei in einer Belt-Apparatur bei einer
Temperatur von 500°C einem Druck von 40 kbar ausgesetzt. Auf diese Weise wurde eine
metastabile Modifikation des NdI2 erhalten, die, wie die Diiodide des Lanthans, Cers und des
Praseodyms (PrI2-I), in der tetragonalen Raumgruppe I4/mmm im CuTi2-Typ kristallisiert.
Eingehendere Druck-Untersuchungen von Schuster und Beck [27] an NdI2 berichten später
vom Auftreten einer weiteren Hochdruckmodifikation des NdI2 im CaF2-Typ. Hochdruckversuche an den Diiodiden des Europiums und des Samariums zeigen ebenfalls einen strukturellen Übergang, hier jedoch in eine PbCl2-ähnliche Struktur [28].
Druckinduzierte Verringerung des Kation-Kation-Abstandes führt zu einer verbesserten dOrbital-Überlappung, was zu einer höheren anisotropen Leitfähigkeit führt. In den metallischen Diiodiden muss das Selten-Erd-Kation die Elektronenkonfiguration [Xe] 4fn 5d1 6s0
haben, damit eine Delokalisierung in das Leitungsband mit hohem d-Charakter erfolgen kann.
Bei den zweiwertigen Selten-Erd-Kationen der salzartigen Diiodide ist dieses Elektron jedoch in den f-Zuständen zu finden. Bei geeigneten Bedingungen läßt sich nun die Ausdehnung
und Energie der Orbitale durch Druck so beeinflussen, dass eine Änderung des Abstandes der
f- und d-Orbitale zueinander erzwungen werden kann, wodurch der Übergang eines f-Elektrons
in den d-Zustand erfolgt. Dies führt dann zu einer Elektronenkonfiguration mit einem Elektron in den d-Zuständen. Dies sollte für alle salzartigen Diiodide der Seltenen-Erden, also
auch DyI2, möglich sein, wenn auch unter stark variierenden Bedingungen.
Um derartige Untersuchen in Zukunft möglich zu machen, musste jedoch ein geeignetes Verfahren zur Darstellung oxidiodid- und metallfreier Proben von DyI2 gefunden werden.
10
Experimentelles
Warkentin und Bärnighausen [29] schlagen zur Darstellung pulverförmiger Proben von DyI2
den Weg über die Umsetzung von Dy-Metall mit der stöchiometrischen Menge an HgI2 ein.
Das zunächst erhaltene Gemisch aus Dy-Metall und DyI3 wird nach Entfernen des Quecksilbers anschließend bei 700-800°C getempert, wobei DyI2 erhalten wurde. Da der indirekte
Weg über HgI2 vermieden werden sollte, wurde der Versuch der Synthese aus Dy-Metall und
DyI3 gewählt. Die Versuchsbedingungen mußten dabei mehrfach variiert werden.
Schwarzviolette, hexagonal geformte Kristalle von DyI2 wurden durch Umsetzung von Dysprosium-Metall und DyI3 im molares Verhältnis 2,3 : 1 erhalten. Umsetzungen, in denen das
Verhältnis 2 : 1 gewählt wurde, führten zu geringen Ausbeuten von DyI2, die durch einen hohen
Anteil an DyI3 verunreinigt waren. Die Reaktion erfolgte durch Aufschmelzen von DyI3 bei
1000°C und langsames Abkühlen (20°C/h) auf 800°C, mit anschließendem Tempern bei dieser Temperatur für 3 Wochen. Daran schloss sich langsames Abkühlen mit 5°C/h auf 750°C
und 10°C/h auf Raumtemperatur an. Die Reaktion wurde in einem stehenden Röhrenofen durchgeführt.
Es zeigte sich, dass schöne, schichtartig gewachsene Kristalle von plättchenförmigem Habitus, mit im Auflicht schwarzer Farbe, an der Innenwand der Tantalampulle oberhalb des Schmelzregulus gewachsen waren, die sich gut mit einer Präpariernadel entfernen ließen. DyI2 läßt
sich scheinbar phasenrein durch Reaktion in einem „stehenden“ Reaktionscontainer erhalten.
Die so erhaltene Menge an DyI2 reichte jedoch für eine Röntgenpulvermessung nicht aus.
Röntgenpulvermessungen an einer Probe des Schmelzregulus zeigten wieder Verunreinigung
mit DyOI und unumgesetzten DyI3.
Geeignet erscheinende Kristalle wurden aus dem Reaktionsansatz ausgewählt und in Glaskapillaren eingebracht und eingeschmolzen. Die Kristalle wurden röntgenographisch mit Hilfe des IPDS auf ihre Qualität hin untersucht. Anschließend wurde von dem besten Kristall ein
Intensitätsdatensatz erstellt.
Kristallstruktur
Nach Auskunft der Röntgenstrukturanalyse an einem Einkristall kristallisiert DyI2 trigonal im
CdCl2-Typ mit der Raumgruppe R3m (Nr. 166), wie dies bereits von Bärnighausen und
Warkentin aufgrund von Pulverproben berichtet wurde [29]. Die kristallographischen Daten
sowie Meßparameter sind in Tabelle III.1.2.1 angegeben. Die Gitterkonstanten zeigen Übereinstimmung mit den von Bärnighausen gefundenen Werten:
11
eigene Daten
Bärnighausen et. al. [29]
a = 462,10(9) pm
461(1) pm
c = 2090,5(7) pm
2086(2) pm
Die Lageparameter und Koeffizienten der anisotropen Temperaturfaktoren finden sich in Tabelle III.1.2.2 und III.1.2.3.
In der Kristallstrukur von DyI2 sind die Dy2+-Ionen oktaedrisch von I--Ionen umgeben. Dabei
sind die Iod-Ionen um 2,31° aus der Ideallage ausgelenkt (Winkel I-Dy-I = 87,69(3) bzw.
92,31(3)°). Der Abstand Dy-I beträgt 320,36(9) pm. Die [DyI6]-Oktaeder sind über gemeinsame Kanten zu Schichten verknüpft.
Die Dysprosium-Ionen besetzen jede zweite Schicht der Oktaederlücken in der kubisch-dichtesten Anordnung der Iod-Ionen (Stapelfolge: ...AgB_CbA_BaC_AgB_C..., Abbildung
III.1.2.1).
C
a
B
A
b
C
B
g
A
C
a
B
A
b
C
Abb. III.1.2.1 Darstellung der Schichtfolgen in DyI2 senkrecht auf (1120); Kleine graue Kugeln Dysprosium, große braune Kugeln Iod
12
Tab. III.1.2.1 Kristallographische Daten von DyI2 und ihre Bestimmung
Summenformel
DyI2
Molmasse [g/mol]
416,31
Gitterkonstanten [pm]
a = 462,10(9)
c = 2090,5(7)
Zellvolumen.106 [pm³]
386,6(2)
Formeleinheiten pro Elementarzelle
3
Kristallsystem
trigonal
Raumgruppe
R3m (Nr. 166)
Meßgerät
Stoe IPDS-I
Verwendete Strahlung
Mo-Ka (Graphit-Monochromator)
(l = 71,073 pm)
Meßtemperatur
293K
Scan-Modus
100 Bilder in 2°-Schritten
Meßbereich
5,84 < 2Q < 56,22
-6 < h < 6; -6 < k < 5; -27< l < 27
F(000)
172
Absorptionskorrektur
numerisch
m[mm-1]
26,277
Zahl der gemessenen Reflexe
1228
davon symmetrieunabhängig
146
beobachtete Reflexe [I0>2s(I)]
130
Daten / Parameter
146 / 6
Rint
0,2362
Strukturbestimmung
SHELXS-97 [16] und SHELXL-97 [17]
Streufaktoren
International Tables Vol. C [30]
goodness of fit
1,171
R1[I0>2s(l); alle Daten]
0,0509; 0,0590
wR2[I0>2s(l); alle Daten]
0,1079; 0,1121
13
Tab. III.1.2.2 Lageparameter und äquivalente Temperaturfaktoren Ueqa) für DyI2 [pm²]
a)
Lage
x/a
y/b
z/c
Ueqa)
Dy
3a
0
0
0
332(6)
I
6c
0,6667
0,3333
0,08485(7)
318(6)
Ueq = 1/3 [U33 + 4/3 (U11 + U22 - U12)] [31]
Tab. III.1.2.3 Koeffizienten der anisotropen Temperaturfaktoren Uijb) [pm²]
b)
U11
U22
U33
U23
U13
U12
Dy
205(6)
205(6)
585(11)
0
0
103(3)
I
292(7)
292(7)
369(9)
0
0
146(4)
Der anisotrope Temperaturfaktor hat die Form: exp[-2p(h²a*2 U11 +...+ 2hka*b* U12)] [32]
14
III.1.3 Untersuchungen im Zweikomponentensystem Pr/PrI3:
Versuche zur gezielten Synthese einer Modifikation
Allgemeines
PrI2 ist das einzige Diiodid der Selten-Erd-Elemente, für das mehrere Modifikationen gefunden wurden [24,33], die nicht unter Hochdruckbedingungen beobachtet wurden. Unter den
fünf beschriebenen Modifikationen sticht besonders die Modifikation V hervor, die sich durch
das Auftreten von [Pr4]-Einheiten von den anderen, schichtartigen Modifikationen unterscheidet.
Eine Übersicht der verschiedenen Modifikationen ist in Tab. III1.3.1 gegeben.
Tab. III.1.3.1 Von Warkentin und Bärnighausen gefundene Modifikationen von PrI2 im System Pr/PrI3 [24]
Gitterkonstanten
Modifikation
Strukturtyp
Raumgruppe
Z
a [pm]
c [pm]
I
MoSi2
I4/mmm
2
366,4
1394,0
II
2H1-MoS2
P63/mmc
2
418,2
1518
III
3R-MoS2
R3m
3
418,2
2276,5
IV
CdCl2
R3m
3
425
2243
V
eigen
F43m
16
1236,0
-
Untersuchungen, die zur Klärung der Frage nach dem Auftreten der unterschiedlichen Modifikationen beitragen, fehlen bislang. Von Warkentin und Bärnighausen [24] wird darauf hingewiesen, dass topotaktische Verwachsungen der Modifikationen IV und V, die ihre Ursache
in der strukturellen Verwandtschaft beider Modifikationen haben, dazu führen, dass beide Modifikationen nebeneinander auftreten. In beiden Modifikationen wird eine kubisch-dichteste
Packung der I--Ionen gefunden, in denen sich die Praseodym-Ionen in Oktaederlücken befinden. Jedoch unterscheiden sich die beiden Modifikationen durch Variation der Besetzung der
Oktaederlücken. Ist in der Modifikation IV jede zweite Oktaederlücken-Schicht voll durch
Praseodym-Ionen gemäß dem Formalismus AgB_CbA_BaC_A... besetzt, so wird für die
Modifikation V Teilbesetzung aller Oktaederlücken gefunden. Dabei wird jede Schicht zu 3/4
15
bzw. 1/4 mit Praseodym-Ionen besetzt. Der Stapelfolgeformalismus muss daher lauten:
...Ag3/4Ba1/4Cb3/4Ag1/4Ba3/4Cb1/4A...
Dem [Pr4]-Cluster in PrI2-V kommen vier Elektronen zu, die für Metall-Metall-Bindungen
zur Verfügung stehen. Da aber Cluster mit weniger als 12 Elektronen pro Cluster-Einheit
unvollständig besetzte Orbitale für Metall-Metall-Bindungen haben, resultieren daraus unterschiedliche Metall-Metall-Abstände in dem Cluster. Für PrI2-V sollten daraus, bedingt durch
eine Jahn-Teller-Verzerrung, unterschiedlich lange Pr-Pr-Abstände resultieren. Die Pr-PrAbstände in PrI2-V sind jedoch äquidistant. Dafür können zwei Gründe in Betracht gezogen
werden: Eine Möglichkeit besteht in der Anwesenheit eines interstitiellen Atoms, das zur
Erhöhung der Elektronenanzahl des Clusters beiträgt. Da jedoch weder in eigenen, noch in
vorangegangen Arbeiten Anzeichen für die Existenz eines interstitiellen Atoms gefunden
wurden, muss diese nicht in Betracht gezogen werden. Die andere Möglichkeit erklärt die
Stabilität des Clusters durch zusätzliche Wechselwirkungen der Metall-Ionen mit den benachbarten Cluster-Einheiten. Bandstrukturrechnungen von Meyer und Meyer [34] für PrI2-V zeigen einen Abfall des Bandes der unteren entarteten d-Orbitale um 0,5 eV bei Berücksichtigung der zum Cluster nächsten 12 Pr-Ionen. Demnach tragen die halbbesetzten entarteten
Orbitale sowohl zu Metall-Metall-Bindungen innerhalb der Cluster bei als auch zu stabilisierenden, jedoch schwachen Wechselwirkungen zwischen den Cluster-Einheiten. Das a1-Orbital ist nur für bindende Wechselwirkungen innerhalb des Clusters verantwortlich (Abb. III.1.3.1).
Abb. III.1.3.1 Schematische Darstellung der Aufspaltung der unteren d-Zustände in einer [Pr4I4]I128-Einheit [34]
16
Experimentelles
Als geeigneter Syntheseweg zur Darstellung von Kristallen der Modifikation V von PrI2 hat
sich folgende Vorgehensweise als vorteilhaft gezeigt: In eine Tantalampulle werden sublimiertes PrI3 und Pr-Metall im Verhältnis 1,44:1 eingewogen. Ein hoher Überschuß an PrMetall ist notwendig, um die Bildung von Pr2I5 zu unterdrücken. Die verschweißte Ampulle
wird mit einem evakuierten Kieselglasmantel umgeben und in einen Röhrenofen gegeben.
Die Edukte werden bei 1050°C aufgeschmolzen und zehn Stunden bei dieser Temperatur belassen. Es folgt ein Abkühlprozeß mit 5°C/h auf 780°C und 1°C/h auf 740°C. Das Gemenge
wird bei dieser Temperatur für drei Wochen belassen. Anschließend folgt langsames Abkühlen auf 670°C (1°C/h) mit abschließendem Kühlen auf Raumtemperatur mit 20°C/h. PrI2-V
läßt sich aus dem Reaktionsansatz als unregelmäßig geformte schwarze Kristalle herausselektieren. Die Kristalle fallen durch ihre vergleichbar große Härte (Kristalle der Modifikationen PrI2-IV und auch von Pr2I5 sind deutlich weicher) auf und lassen sich gut teilen. Mehrere Individuen wurden in Glaskapillaren präpariert und zur Kontrolle ihrer Qualität mit Hilfe
des IPDS röntgenographisch vermessen. Von dem besten Kristall wurde daraufhin ein vollständiger Intensitätsdatensatz ermittelt. Röntgenpulvermessungen ließen keine eindeutige
Zuordnung zu einer oder mehreren Modifikationen zu.
Von Warkentin und Bärnighausen [24] gemachte Beobachtungen, wonach die Bildung von
PrI2-V nach einem kinetischen Mechanismus abläuft, werden durch die eigenen Untersuchungen bestätigt. Durch Umsetzungen mit einer Reaktionszeit von drei Wochen bei 740°C und
anschließendem langsamen Abkühlen auf Raumtemperatur, konnte die Bildung der Modifikation V beobachtet werden. Bei einer Umsetzung, bei der das Temperaturprogramm der
Ofenreglung durch einen Bruch des Thermoelements unterbrochen wurde, waren vermehrt
Kristalle der Modifikation IV im Reaktionsansatz vorhanden. Das sehr schnelle Abkühlen ab
701°C (ca 300°C/h) scheint die Bildung der Modifikation V zu verhindern. Die Strukturanalyse der erhaltenen Kristalle der Modifikation IV war durchweg mit der Problematik einer
starken Restelektronendichte auf der speziellen Lage 3a behaftet. Diffuse Reflexe im reziproken Raum, die auf einen systematischen Stapelfehler der Metallkationen hingewiesen hätten, waren nicht erkennbar, so dass auch keine Elementarzelle mit verlängerter c-Achse bestimmt werden konnte. In diesem Zusammenhang ist eine direkte Verwachsung zweier Individuen diskutierbar.
17
Kristallstrukturen von PrI2-V und PrI2-IV
PrI2-V kristallisiert kubisch in der Raumgruppe F43m (Nr. 216). Die Kristalldaten und ihre
Bestimmung sind in Tab. III.1.3.2 aufgeführt. In der Kristallstruktur sind die Praseodym-Ionen aus der Ideallage der Oktaederlücken ausgelenkt. Dabei rücken jeweils vier PraseodymIonen aufeinander zu und lassen sich zu einer Tetraedereinheit zusammenfassen (Abb. III.1.3.2).
Diese Tetraedereinheit wird von 16 I--Ionen umgeben, wobei vier I(2)-Ionen jeweils über den
Dreiecksflächen des Tetraeders als m3-Ligand fungieren, während 12 I(1)-Ionen als m1-Liganden
die Verbrückung zu den benachbarten [Pr4]-Einheiten bilden. Die [Pr4]-Einheit kann unter Berücksichtigung der Liganden als [Pr4I4i ]I12/3a-a-Einheit beschrieben werden. Die Verknüpfung
solcher Einheiten erfolgt zu einem dreidimensionalen Raumnetz. Der Pr-Pr-Abstand ist in
PrI2-V deutlich kürzer als in der verwandten Schichtstruktur der Modifikation IV (391,3(2)
pm in PrI2-V; 426,5(1) pm in PrI2-IV). Der Pr-I-Abstand beträgt 327,8(1) pm zu I(1) bzw.
313,6(1) pm zu I(2). Das Praseodym-Ion ist sechsfach in Form eines verzerrten Oktaeders
von jeweils drei I(1)- und I(2)-Ionen koordiniert.
Ein Kristall der Modifikation IV ließ sich unter Berücksichtigung des oben genannten Problems in der Raumgruppe R3m (Nr. 166) befriedigend „lösen“. Die Kristalldaten und ihre
Bestimmung sind in Tab. III.1.3.3 zusammengefaßt. PrI2-IV kristallisiert isotyp zu DyI2 in der
CdCl2-Struktur mit drei Formeleinheiten pro Elementarzelle. In Tab. III.1.3.7 fallen die hohen
Werte für die anisotropen Temperaturfaktoren U11, U22 und U12 des Pr-Ions sowie U33 des I-Ions auf, die eine erhöhte Beweglichkeit der Praseodym- und I--Ionen entlang dieser ausgezeichneten Richtungen beschreiben. Handelt es sich bei PrI2-IV um eine metastabile Phase,
so könnten die erhöhten anisotropen Temperaturfaktoren einen Hinweis auf eine kinetisch
gehemmte Umwandlung in die Modifikation V sein.
Kristalle der Modifikationen I-III konnten in zahlreichen Versuchen nicht identifiziert werden.
Ein Vergleich der Gitterkonstanten der eigenen Arbeiten mit den von Bärnighausen und
Warkentin erhaltenen Daten zeigen gute Übereinstimmungen:
eigene Daten
Bärnighausen et al. [24]
PrI2-V
a = 1239,9(2) pm
a = 1236,0(5) pm
PrI2-IV
a = 426,5(1) pm
c = 2247,1(8) pm
a = 425(1) pm
c = 2243(5)
18
Tab. III.1.3.2 Kristallographische Daten von PrI2-V und ihre Bestimmung
Summenformel
PrI2
Molmasse [g/mol]
394,71
Gitterkonstante [pm]
a = 1239,9(2)
Zellvolumen.106 [pm³]
1906,0(4)
Formeleinheiten pro Elementarzelle
16
Kristallsystem
kubisch
Raumgruppe
F43m (Nr. 216)
Meßgerät
Stoe IPDS
Verwendete Strahlung
Mo-Ka (Graphit-Monochromator)
(l = 71,073 pm)
Meßtemperatur
293K
Scan-Modus
100 Bilder in 2°-Schritten
Meßbereich
5,7 < 2Q < 55,96
-16 < h < 15; -16 < k < 16; -16 < l < 16
F(000)
165
Absorptionskorrektur
numerisch
m[mm-1]
22,968
Zahl der gemessenen Reflexe
4578
davon symmetrieunabhängig
274
beobachtete Reflexe [I0>2s(I)]
244
Daten / Parameter
274 / 11
Rint
0,0424
Strukturbestimmung
SHELXS-97 [16] und SHELXL-97 [17]
Streufaktoren
International Tables Vol. C [30]
goodness of fit
1,088
R1[I0>2s(l); alle Daten]
0,0196; 0,0225
wR2[I0>2s(l); alle Daten]
0,0431; 0,0439
19
Tab. III.1.3.3 Kristallographische Daten von PrI2-IV und ihre Bestimmung
Summenformel
PrI2
Molmasse [g/mol]
394,71
Gitterkonstante [pm]
a = 426,5(1)
c = 2247,1(8)
Zellvolumen.106 [pm³]
353,9(2)
Formeleinheiten pro Elementarzelle
3
Kristallsystem
trigonal
Raumgruppe
R3m (Nr. 166)
Meßgerät
Stoe IPDS
Verwendete Strahlung
Mo-Ka (Graphit-Monochromator)
(l = 71,073 pm)
Meßtemperatur
293K
Scan-Modus
100 Bilder in 2°-Schritten
Meßbereich
5,44 < 2Q < 48,02
-4 < h < 4; -4 < k < 4; -25 < l < 24
F(000)
165
Absorptionskorrektur
numerisch
m[mm-1]
23,190
Zahl der gemessenen Reflexe
737
davon symmetrieunabhängig
95
beobachtete Reflexe [I0>2s(I)]
73
Daten / Parameter
95 / 7
Rint
0,1360
Strukturbestimmung
SHELXS-97 [16] und SHELXL-97 [17]
Streufaktoren
International Tables Vol. C [30]
goodness of fit
1,682
R1[I0>2s(l); alle Daten]
0,0808; 0,0930
wR2[I0>2s(l); alle Daten]
0,2140; 0,2263
Restelektronendichte
10,178 auf Position 0,0,0 (3a)
20
Tab. III.1.3.4 Lageparameter und äquivalente Temperaturfaktoren Ueqa) für PrI2-V [pm²]
Lage
x/a
y/b
z/c
Ueq [pm2]
Pr
16e
0,88842(5)
0,88842(5)
0,88842(5)
265(2)
I(1)
16e
0,62467(6)
0,87533(6)
0,87533(6)
269(2)
I(2)
16e
0,86153(5)
0,86153(5)
0,13847(5)
309(4)
Ueq = 1/3(U11 + U22 + U33) [31]
a)
Tab. III.1.3.5 Koeffizienten der anisotropen Temperaturfaktoren Uijb) für PrI2-V [pm²]
b)
U11
U22
U33
U23
U13
U12
Pr
265(2)
265(2)
265(2)
-25(2)
-25(2)
-25(2)
I(1)
269(2)
269(2)
269(2)
8(2)
-8(2)
-8(2)
I(2)
309(4)
309(4)
309(4)
55(3)
55(3)
-55(3)
Der anisotrope Temperaturfaktor hat die Form: exp[-2p²(h²a*²U11+...+2hka*b*U12)] [32]
Tab. III.1.3.6 Lageparameter und äquivalente Temperaturfaktoren Ueqa) für PrI2-IV [pm²]
Lage
x/a
y/b
z/c
Ueq [pm2]
Pr
3b
0,3333
0,6667
0,1667
700(20)
I
6a
0,6667
0,3333
0,0766(2)
480(20)
Ueq = 1/3(U11 + U22 + U33) [31]
a)
Tab. III.1.3.7 Koeffizienten der anisotropen Temperaturfaktoren Uijb) für PrI2-IV [pm²]
b)
U11
U22
U33
U23
U13
U12
Pr
900(30)
900(30)
300(30)
0
0
448(16)
I
390(20)
390(20)
650(30)
0
0
195(11)
Der anisotrope Temperaturfaktor hat die Form: exp[-2p²(h²a*²U11+...+2hka*b*U12)] [32]
21
z
I1
x
y
I1
I1
I1
Pr
I2
I2
Pr
I1
I1
I1
Pr
I2
Pr
I2
I1
I1
I1
I1
I1
Abb. III.1.3.2 PrI2-V: Darstellung der [Pr4]-Tetraedereinheit mit innerer (I(2) und äußerer (I(1)) Koordination durch Iodid-Ionen
y
z
x
Pr
I
Abb. III.1.3.3 Blick entlang [101] auf die Elementarzelle von PrI2-V
22
x
z
y
Pr
I
Abb. III.1.3.4 Darstellung der Struktur von PrI2-V als Schichtstruktur
23
III.2 Barium und Strontium als Reduktionsmittel für SeltenErd-Triiodide: Untersuchungen in den Systemen B / MI3 (B =
Sr, Ba; M = Sc, La, Ce, Pr, Nd)
2.1 Zielsetzung
Nach eingehender Prüfung der einschlägigen Literatur stellt man fest, dass reduzierte ternäre
Selten-Erd-Halogenide mit Erdalkalimetall-Ionen bislang fast unbekannt sind. Konträr dazu
steht jedoch die große Vielfalt reduzierter ternärer Selten-Erd-Halogenide mit Alkalimetallen, die in beträchtlicher Anzahl mit unterschiedlichen Zusammensetzungen und Strukturtypen bekannt sind [4]. So werden alleine für Verbindungen der Zusammensetzung AMX3 sechs
verschiedene Strukturtypen gefunden, die abhängig von der Größe der beteiligten Ionen auftreten. Im Fall von Iodiden der Zusammensetzung AMI3 sind jedoch nur Verbindungen mit den
größeren Alkalimetallen Kalium, Rubidium und Cäsium bekannt. Eine Ausnahme bilden die
Triiodoscandate mit Lithium und Natrium (LiScI3 und Na0.5ScI3 [35,36]).
Tab. III.2.1.1 Übersicht über die bekannten Verbindungen der Zusammensetzung AMX3
Li
Na
K
Rb
Cs
F
-
-
-
Yb
Eu, Yb
Cl
-
-
Tm, Yb
Sc, Eu, Dy, Tm, Yb
Sc, Sm, Eu, Tm, Yb
Br
-
_
Dy, Tm, Yb
Sc, Dy, Tm, Yb
Sc, Eu, Dy, Tm, Yb
I
Sc
Sca)
Tm, Yb
Eu, Dy, Tm, Yb
Sc, Sm, Eu, Dy, Tm, Yb
a)
Hiebei handelt es sich um Na0.5ScI3 [36]
Verbindungen mit einem größeren Anteil an Selten-Erd-Element, denen die Zusammensetzung AM2X5 zukommt, sind ebenfalls in einer größeren Anzahl bekannt. Auch hier werden
verschiedene Strukturtypen in Abhängigkeit von der Größe der beteiligten Ionen gebildet.
Darüberhinaus sind Verbindungen des Typs A2MX4 und A4MX6 bekannt; diese bilden aber mit
nur wenigen bekannten Beispielen eher eine Randerscheinung. So sind mit der Zusammensetzung A2MX4 bislang nur drei Vertreter beschrieben worden: K2EuCl4 [37], Cs2YbCl4 [38] sowie Cs2TmCl4 [39]. Die Zusammensetzung A4MX6 ist bislang sogar nur für Rb4YbI6 [40] ge-
24
funden worden. Darüberhinaus existieren mit den Zusammensetzungen AM2X6 [41,42] und
A5M3X12 [43,44] Vertreter gemischtvalenter Verbindungen. Erstere kristallisieren in einer
aufgefüllten Variante des UCl3-Typs, in denen die freien Kanäle durch das einwertige Kation
gefüllt werden. Für Neodym werden ferner noch zwei Verbindungen genannt, deren Auftreten
ebenfalls als singulär zu bezeichnen ist (K3Nd3Br10 [45], K8Nd7I25 [43]). Bei genauer Betrachtung fällt auf, dass fast ausnahmslos alle ternären Verbindungen in den Systemen AX / MX2
(A = Li, Na, K, Rb, Cs; M = La-Lu, Sc, Y; X = Cl, Br, I) für solche Selten-Erd-Elemente
gefunden werden, deren Dihalogenide zu den salzartig kristallisierenden Verbindungen gezählt werden. Eine Ausnahme davon stellen die ternären Halogenide des Scandiums dar. Eine
Zusammenfassung aller bekannten Verbindungen der Zusammensetzung AMX3 und AM2X5
wird in Tab. III.2.1.1 bzw. Tab. III.2.1.2 gegeben.
Tab. III.2.1.2 Übersicht über die bekannten Verbindungen des Typs AM2X5
Li
Cl
Na
Dy, Tm, Yb
Br
I
a)
Yb
K
Rb
Nd, Sm, Eua)
Sm, Eua)
Nd, Sm
Nd, Sm
Sm, Eu
Nd, Eu
Cs
Sm, Eu
Ferner wird für Europium noch von TlEu2Cl5 berichtet [37]
Ternäre Selten-Erd-Halogenide mit dreiwertigem Selten-Erd-Ion und Barium sind vor kurzem von Masselmann eingehend untersucht worden [46]. Dabei wurde auf Arbeiten von
Wickleder et al. [47] aufgebaut, in denen hauptsächlich ternäre Verbindungen der kleineren
Selten-Erd-Elemente (Gd-Yb, Y) mit Barium und Chlor strukturell untersucht wurden, denen
die Zusammensetzung Ba2MCl7 zukommt. Masselmann konnte Verbindungen des Typs BaMCl5
(M = Eu, Gd, Tb) und eine Reihe von Verbindungen des Typs Ba8[(M6O)Cl32] sowie
Ba9[(M6O)X34] (X = Cl, Br), die in dreidimensionalen Überstrukturen des CaF2-Typs kristallisieren, hinzufügen (vergl. dazu auch [48]. Bei den dreidimensionalen CaF2-Überstrukturen
konnte dabei mit (Ba,EuII)9[(EuIII6O)Cl34] [46] eine gemischtvalente Variante erhalten werden.
In eigenen Arbeiten konnte mit (Ba,DyII)9[(DyIII6O)Cl34] ein analoge Verbindung synthetisiert
werden [49]. Arbeiten, die zu Verbindungen ternärer Selten-Erd-Iodide sowohl mit zweiwertigen als auch dreiwertigen Selten-Erd-Kationen und Erdalkalimetallen geführt hätten, sind nicht
bekannt.
Bei Untersuchungen in den Systemen B / MI3 (B = Sr, Ba; M = La-Lu, Sc, Y) tritt das Problem
25
der ähnlichen Ionenradien von zweiwertigen Selten-Erd-Ionen und Erdalkalikationen auf. Daher ist zu erwarten, dass bei der reduktiven Umsetzung von NdI3, SmI3, TmI3 und YbI3 (EuI3
existiert nicht) mit Erdalkalimetallen Mischkristalle entstehen, die entweder in der Struktur
des Selten-Erd-Diiodids oder des Erdalkaliiodids kristallisieren. Schon bei eigenen Untersuchungen in dem System Sr / YbCl3 [50] zeigte sich, dass eine Mischkristallbildung stark bevorzugt ist, auch wenn der Unterschied im Betrag der Ionenradien annähernd 10% ausmacht
(r[Sr2+] = 140 pm; r[Yb2+] = 128 pm; jeweils für C.N. 8 [51]). Daher lag das Hauptinteresse im
Verhalten der Triiodide der Elemente Lanthan, Cer, Praseodym, Gadolinium und Scandium
gegenüber Erdalkalimetallen als Reduktionsmittel, da diesen Elementen gemeinsam ist, dass
sie als metallisch anzusehende Diiodide mit überschüssigen Elektronen im delokalisierten dZustand (Formulierung des Diiodids gemäß (Ln3+)(e-)(I-)2) bilden. Zu klären war hier die Frage, ob Wechselwirkungen der überschüssigen Elektronen miteinander die Struktur beinflussen
können, indem sie zur Ausordnung von Erdalkali- und Selten-Erd-Metall auf verschiedenen
kristallographischen Lagen führen.
26
III.2.2 Darstellung und Kristallstruktur von Sc0.87I2
Allgemeines
Scandium gehört, wie Yttrium und Lanthan, zu den drei Selten-Erd-Elementen, die keine 4fElektronen besitzen, sondern zu den Übergangselementen mit d-Konfiguration zählen. Mit
der Elektronenkonfiguration nd1 (n+1)s2 (n = 3,4,5) sollte sich eine verstärkte Fähigkeit zur
Ausbildung der zweiwertigen Oxidationsstufe, besonders bei den kleineren Elementen Scandium und Yttrium, bemerkbar machen, da hier der energetische Abstand der d- und s-Orbitale
zueinander größer ist, als beim Lanthan, in dem die d- und s-Orbitale vergleichsweise dicht
beieinander liegen.
Die Elemente Scandium, Yttrium und Lanthan zeigen eine starke Tendenz zur Bildung von
Clusterverbindungen, die durch interstitielle Atome stabilisiert sind. Als Beispiele seien Sc4I6C2
[52], Y4Br4Os [53] oder La3I3Ir [54] genannt. Von keinem dieser drei Elemente ist ein Dichlorid
bekannt. Es werden dagegen die Sesquichloride M2Cl3 (M = Sc, Y, La) gebildet, in denen es
zur Ausbildung von Strängen kantenverknüpfter Metalloktaeder kommt. In diesen Verbindungen liegt das Metall als dreiwertiges Ion vor. Die „überschüssigen“ Elektronen werden für die
Ausbildung von Metall-Metall-Bindungen, Vierzentren-Zweielektronen- und ZweizentrenZweielektronen-Bindungen zur Verfügung gestellt [55]. Daneben konnten auch die
Sesquibromide Sc2Br3 [56] und Y2Br3 [57] dargestellt werden. Von Lanthan sind dagegen La2Br5
und LaBr2 [58] sowie die Iodide La2I5 und LaI2 [33] bekannt.
Neben den Sesquihalogeniden Sc2Cl3 und Sc2Br3 wurde von Corbett und Mitarbeitern über die
Existenz von Verbindungen Sc5Cl8 [59], Sc7Cl10 [60] und Sc7Cl12 [61] berichtet, die sich jedoch in weiteren Untersuchungen als durch interstitielle Atome stabilisierte Verbindungen,
wie z.B.Sc5Cl8C [62], herausstellten. Wie bei Lanthan ist auch von Scandium ein Diiodid bekannt, dem jedoch größere Aufmerksamkeit entgegen gebracht werden muss, da es sich hierbei nur augenscheinlich um ein reines Diiodid handelt. Schon in den ersten Untersuchungen
des Phasendiagramms im System Sc / ScI3 wird die Zusammensetzung der reduzierten Phase
mit ScI2.17 beschrieben [63], die durch Umsetzung von ScI3 mit überschüssigem ScandiumMetall erhalten wurde. In späteren Untersuchungen wurde von Corbett jedoch festgestellt,
dass diese ungewöhnliche Zusammensetzung durch Unterbesetzung der Kationenplätze zustande kommt [64].Die Formulierung Sc0.93I2 bringt die defizitäre Besetzung der Kationenplätze zu lediglich 93% mit Scandium besser zum Ausdruck.
27
Experimentelles
Sc0.87I2 wurde bei dem Versuch erhalten, eine Verbindung der Zusammensetzung SrScI4 durch
metallothermische Reduktion von ScI3 mit Strontium-Metall darzustellen. Dazu wurden ScI3
und Sr-Metall im Verhältnis 2:1 in eine Tantalampulle eingewogen. Nach dem Verschließen
der Tantalampulle im Lichtbogenschweißer und Ummantelung mit einer evakuierten Kieselglasampulle, wurde die Reaktionsmischung in einem Röhrenofen durch Aufschmelzen bei
1050°C zur Reaktion gebracht. Durch langsames Abkühlen mit 1°C/h bis 400°C und anschließendes Abkühlen mit 10°C/h bis Raumtemperatur wurden schwarze, metallisch glänzende
Kristalle erhalten, die schichtartig gewachsen waren. Mit Hilfe eines Skalpells konnte eine
dieser Schichten aus dem Gesamtverband abgelöst und kleinere Stücke herauspräpariert werden. Diese Kristallstücke wurden in Glaskapillaren eingebracht, die zum Schutz vor Oxidation
abgeschmolzen wurden. Nach röntgenographischer Kontrolle der Kristallqualität mit Hilfe
des IPDS wurde von dem am geeignetsten erscheinenden Kristall ein Intensitätsdatensatz erstellt.
Kristallstruktur
Sc0.87I2 kristallisiert hexagonal mit der Raumgruppe P3m1 im CdI2-Typ. Die kristallographischen Daten und ihre Bestimmung sind in Tab. III.2.2.1 aufgelistet. Die I--Ionen bilden eine
hexagonal-dichteste Packung aus, worin die Scandium-Atome jede zweite Schicht der
Oktaederlücken besetzen (siehe Abb. III.2.2.2). Analog der Darstellung von Sc0.93I2 durch metallothermische Reduktion von ScI3 mit Scandium-Metall durch Corbett und Mitarbeiter [64],
findet man auch bei der Synthese von Sc0,87I2 durch Reduktion von ScI3 mit Strontium eine
Unterbesetzung der Kationenplätze. Im vorliegenden Kristall wurden die Kationenplätze lediglich zu 87% besetzt.
Die I--Ionen sind im [ScI6]-Oktaeder, ähnlich wie bei DyI2 (vgl. dazu Abschnitt III.1.2), um
1,46° aus der Ideallage ausgelenkt. Der Sc-I-Abstand beträgt 293,80(9) pm. Die [ScI6]-Oktaeder sind über gemeinsame Kanten zu Schichten verknüpft.
28
Tab. III.2.2.1 Kristallographische Daten für Sc0,87I2 und ihre Bestimmung
Summenformel
Sc0.87I2
Molmasse [g/mol]
292,91
Gitterkonstanten [pm]
a = 410,2(1)
c = 696,2(2)
Zellvolumen.106 [pm³]
101,4(4)
Formeleinheiten pro Elementarzelle
3
Kristallsystem
trigonal
Raumgruppe
P3m1 (Nr. 164 )
Meßgerät
Stoe IPDS-I
Verwendete Strahlung
Mo-Ka (Graphit-Monochromator)
(l = 71,073 pm)
Meßtemperatur
293K
Scan-Modus
100 Bilder in 2°-Schritten
Meßbereich
2,93 < 2Q < 56,69
-5 < h < 5; -5 < k < 5; -8< l < 8
F(000)
124,27
Absorptionskorrektur
numerisch
m[mm-1]
14,670
Zahl der gemessenen Reflexe
891
davon symmetrieunabhängig
108
beobachtete Reflexe [I0>2s(I)]
103
Daten / Parameter
108 / 7
Rint
0,1885
Strukturbestimmung
SHELXS-97 [16] und SHELXL-97 [17]
Streufaktoren
International Tables Vol. C [30]
goodness of fit
1,130
R1[I0>2s(l); alle Daten]
0,0489; 0,0490
wR2[I0>2s(l); alle Daten]
0,1038; 0,1039
29
Tab. III.2.2.2 Lageparameter und äquivalente Temperaturfaktoren Ueqa) für Sc0,87I2 [pm²]
a)
Lage
x/a
y/b
z/c
Ueqa)
Besetzung
Sc
1a
0
0
0
370(20)
0,87(3)
I
2d
0,3333
0,3333
0,7503(2)
276(6)
Ueq = 1/3[U33 + 4/3(U11 + U22 - U12)] [31]
Tab. III.2.2.3 Koeffizienten der anisotropen Temperaturfaktoren Uijb) für Sc0,87I2 [pm²]
b)
U11
U22
U33
U23
U13
U12
Sc
350(30)
350(30)
410(40)
0
0
176(14)
I
196(6)
196(6)
436(9)
0
0
98(3)
Der anisotrope Temperaturfaktor hat die Form: exp[-2p(h²a*2 U11 +...+ 2hka*b* U12)] [32]
30
B
g
A
B
g
A
B
g
A
B
g
A
Abb. III.2.2.1 Darstellung der hexagonal-dichtesten Packung der I--Ionen (große braune Kreise). Die
Oktaederlücken in der Schicht g sind zu 87% mit Scandium-Ionen besetzt (kleine graue Kreise). Blick auf
(1120)
31
III.2.3 Mischkristallbildung im System Sr / NdI3
Allgemeines
Das System Sr / NdI3 unterscheidet sich deutlich von den anderen im Rahmen dieser Arbeit
untersuchten Systemen der frühen Selten-Erd-Elemente. Im Gegensatz zu Lanthan, Cer und
Praseodym bildet Neodym als erstes der 4f-Elemente ein als salzartig zu bezeichnendes Diiodid,
NdI2. Diesem liegt ein „echtes“ zweiwertiges Metallkation Nd2+ zugrunde, während sich bei
den als metallisch geltenden Diiodiden LaI2, CeI2 und PrI2 jeweils ein überschüssiges Elektron im Leitungsband der 5d-Zustände befindet. Dies zeigt sich auch im äußeren Erscheinungsbild der Diiodide: LaI2, CeI2 und PrI2 zeigen neben einer schwarzen Farbe auch metallischen Glanz, während NdI2 von schwarzroter Farbe ist und die Kristalle sich im Durchlicht
tiefrot transparent zeigen.
Aufgrund der ähnlichen Größe der Ionenradien der zweiwertigen Ionen von Strontium und
Neodym (r[Sr2+] = 140 pm, r[Nd2+] = 143 pm [51]; für C.N. 8) läßt sich ein anderes Verhalten
von NdI3 gegenüber Strontium als Reduktionsmittel erwarten, verglichen mit den anderen in
dieser Arbeit beschriebenen Verbindungen. Da das Nd2+-Ion kein Elektron im 5d-Zustand aufweist, welches auch räumlich in die Strukturbildung eingreift (siehe dazu Abschnitt III.2.4),
sollte dies nicht zur Ausordnung von Neodym- und Strontium-Lagen in der Kristallstruktur
führen.Die Umsetzung von NdI3 mit Strontium-Metall sollte unter Berücksichtigung dieser
beiden Punkte zur Bildung von Mischkristallen der Zusammensetzung Sr1-xNdxI2 führen. Dabei stellt sich jedoch die Frage, welche der beiden möglichen Kristallstrukturen gebildet wird:
Eine Möglichkeit ist die Kristallisation isotyp zu NdI2, das im SrBr2-Typ kristallisiert und
eine achtfache Metallionenkoordination zeigt. Andererseits könnte die Kristallstruktur von
SrI2 eingenommen werden, in der eine siebenfache Koordination der Strontiumionen gefunden wird [65].
Experimentelles
Die Umsetzung wurde in einer verschweißten Tantalampulle, die zum Schutz vor Oxidation
mit einem evakuierten Kieselglasmantel umgeben war, in einem Röhrenofen durchgeführt.
Das Reaktionsgemisch wurde zum Aufschmelzen auf 800°C erhitzt und für zehn Stunden dort
belassen. Langsames Abkühlen (1°C/h) bis 400°C und abschließendes schnelleres Abkühlen
(10°C/h) auf Raumtemperatur liefert tiefrote, im Durchlicht transparente Kristalle von unregelmäßigem Habitus. Für die Umsetzung von NdI3 mit Strontium-Metall wurde ein molares
Verhältnis von 2:1 gewählt.
32
Aus dem Reaktionsansatz wurden mit Hilfe eines Polarisationsmikroskops geeignet erscheinende Kristalle ausgesucht und anschließend in Glaskapillaren präpariert, die unter
Inertgasbedingungen abgeschmolzen wurden. Durch röntgenographische Methoden wurde mit
Hilfe des IPDS in einer Vorauswahl der am besten geeignete Kristall ausgesucht. Von diesem
wurde dann ein Intensitätsdatensatz erstellt.
Kristallstruktur
Wie zu erwarten war, konnte aus den oben genannten Gründen eine Bildung von Verbindungen
des Typs SrNdI4 oder Sr2NdI6, in denen den Nd2+- und Sr2+-Ionen unabhängige kristallographische Lagen zugeordnet werden, können nicht beobachtet werden. Laut Auskunft der Röntgenstrukturanalyse kommt es im System Sr / NdI3 zur Bildung von Mischkristallen der allgemeinen Zusammensetzung Sr1-xNdxI2. Der ausgesuchte Kristall, der im vorliegenden Fall näher
untersucht wurde, kristallisiert orthorhombisch mit der Raumgruppe Pbca (Nr. 61) isotyp zu
SrI2. Die Verfeinerung lieferte einen Besetzungsfaktor von k = 0,591(3) für Neodym. Aufgrunddessen kann man den Kristall mit der Zusammensetzung Sr0.41Nd0.59I2 beschreiben. Andere Kristalle im Reaktionsansatz werden vielleicht eine andere Zusammensetzung zeigen,
wobei nichts über die Breite der möglichen Zusammensetzung ausgesagt werden kann.
In der Kristallstruktur liegen zwei kristallographisch verschiedene Iod-Positionen vor, die
siebenfach koordinierend das M2+-Ion umgeben. Diese Koordination erfolgt durch vier I(1)Ionen und drei I(2)-Ionen, die sich stark durch ihre eigene Koordnationssphäre unterscheiden. I(1) ist verzerrt tetraedrisch von vier M2+-Ionen umgeben (Abb. III.2.3.1), während I(2)
annähernd trigonal-planar koordiniert ist (Abb. III.2.3.2). Aufgrund der geringeren geometrischen Einengung führt das I(2)-Atom stärkere Schwingungen aus, die sich in den erhöhten
Beträgen der anisotropen Temperaturfaktoren ausdrücken (Tab. III.2.3.3). Dieses Phänomen
wird auch von Bärnighausen für SrI2 gefunden [65]. Der Abstand Sr/Nd-I variiert von 328,81(9)
bis 342,06(8) pm (Tab. III.2.3.4). Der [Sr/NdI7]-Polyeder kann als leicht verzerrtes einfach
bekapptes trigonales Prisma bezeichnet werden (Abb. III.2.3.4). Durch gemeinsame Kanten
und Ecken werden die [Sr/NdI7]-Polyeder dreidimensional miteinander verknüpft.
33
Tab. III.2.3.1 Kristallographische Daten für Sr0,41Nd0,59I2 und ihre Bestimmung
Summenformel
Sr0.41Nd0.59I2
Molmasse [g/mol]
374,8
Gitterkonstanten [pm]
a = 1527,3(1)
b = 830,44(8)
c = 791,7(2)
Zellvolumen.106 [pm³]
1004,2(2)
Formeleinheiten pro Elementarzelle
8
Kristallsystem
orthorhombisch
Raumgruppe
Pbca (Nr. 61)
Meßgerät
Stoe IPDS-II
Verwendete Strahlung
Mo-Ka (Graphit-Monochromator)
(l = 71,073 pm)
Meßtemperatur
293K
Scan-Modus
180 Bilder in 2°-Schritten
90 Bilder bei j = 0°; 90 Bilder bei j = 90°
Meßbereich
5,34 < 2Q < 48,00
-17 < h < 17; -8 < k < 9; -9< l < 9
F(000)
157
Absorptionskorrektur
numerisch
m[mm-1]
22,632
Zahl der gemessenen Reflexe
9871
davon symmetrieunabhängig
713
beobachtete Reflexe [I0>2s(I)]
626
Daten / Parameter
713 / 30
Rint
0,0604
Strukturbestimmung
SHELXS-97 [16] und SHELXL-97 [17]
Streufaktoren
International Tables Vol. C [30]
goodness of fit
1,214
R1[I0>2s(l); alle Daten]
0,0242; 0,0295
wR2[I0>2s(l); alle Daten]
0,0514; 0,0523
34
Tab. III.2.3.2 Lageparameter und äquivalente Temperaturfaktoren Ueqa) für Sr0,41Nd0,59I2 [pm²]
a)
Lage
x/a
y/b
z/c
Ueqa)
Besetzung
Sr
8c
0,60951(4)
0,44964(7)
0,22488(7)
269(3)
0,59(1)
Nd
8c
0,60951(4)
0,44964(7)
0,22488(7)
269(3)
0,41(1)
I(1)
8c
0,53509(4)
0,76867(6)
0,00551(7)
263(2)
I(2)
8c
0,70085(4)
0,39486(7)
0,83467(9)
369(2)
Ueq = 1/3(U11 + U22 + U33) [31]
Tab. III.2.3.3 Koeffizienten der anisotropen Temperaturfaktoren Uijb) für Sr0,41Nd0,59I2 [pm²]
U11
U22
U33
U23
U13
U12
Nd/Sr
296(4)
224(4)
287(4)
-3(2)
-13(2)
-3(2)
I(1)
318(3)
232(3)
239(3)
21(2)
14(2)
2(2)
I(2)
347(4)
315(4)
445(4)
-81(3)
112(3)
-102(3)
b)
Der anisotrope Temperaturfaktor hat die Form: exp[-2p²(h²a*²U11 +...+ 2hka*b*U12)] [32]
Tab. III.2.3.4 Auflistung der interatomaren Abstände in Sr0,41Nd0,59I2 [pm]
Abstände [pm]
Abstände [pm]
Nd/Sr-I(1)
1x
336,56(8)
Nd/Sr-I(2)
1x
328,81(9)
Nd/Sr-I(1)'
1x
338,99(8)
Nd/Sr-I(2)'
1x
329,94(8)
Nd/Sr-I(1)''
1x
341,94(8)
Nd/Sr-I(2)''
1x
340,0(1)
Nd/Sr-I(2)'''
1x
342,06(8)
mittlerer Abstand
Nd/Sr-I
336,9
35
Sr/Nd
Sr/Nd
I1
Sr/Nd
Sr/Nd
Abb. III.2.3.1 Darstellung der von Metall-Ionen gebildeten Koordination um I(1)
I2
Sr/Nd
Sr/Nd
Sr/Nd
Abb. III.2.3.2 Darstellung der von Metall-Ionen gebildeten Koordination um I(2)
36
x
z
NdSr
I
Abb. III.2.3.3 Polyederdarstellung der Struktur von Sr0,41Nd0,59I2. Die Elementarzelle ist eingezeichnet
I1
I2
I2
I1
Sr,Nd
I2
I1
I1
Abb. III.2.3.4 Darstellung des Koordinationspolyeders um das Metall-Ion in Sr0,41Nd0,59I2
37
III.2.4 Ternäre Verbindungen in den Systemen Sr / LaI3 und
Ba / LaI3: Eindimensionale Stränge flächenverknüpfter [LaI8]Polyeder in SrLaI4 und BaLaI4
Allgemeines
Ternäre reduzierte Iodide der Selten-Erd-Elemente mit den Erdalkalimetallen sind bislang
völlig unbekannt. Dies mag zum einen an den Strukturen der Selten-Erd-Iodide liegen, die
eine Präparation geeigneter Kristalle für die Röngenstrukturanalyse schwierig machen. So
kristallisieren sowohl die Selten-Erd-Triiodide (PuBr3- und FeCl3-Typ) als auch ein Teil der
bekannten Diiodide (LaI2, CeI2, PrI2, GdI2, DyI2, TmI2, YbI2 und auch „ScI2“) in Kristallstrukturen
mit einem schichtartigen Aufbau (z.B. MoSi2-Typ, CdI2-Typ oder CdCl2-Typ für die Diiodide).
Ausnahmen bilden lediglich die Diiodide der Elemente Nd, Sm und Eu, die in dreidimensionalen Netzwerken kristallisieren, wie sie auch für die Halogenide von Strontium gefunden
werden (z.B. SrBr2-Typ oder SrI2-Typ). Der „Einbau“ eines reduzierend auf die Selten-ErdElemente wirkenden Erdalkaliions in diese Schichtstrukturen könnte dabei in die Räume zwischen den vorhandenen Schichten stattfinden, was mit einer nicht unbeachtlichen Aufweitung
der Struktur einher gehen sollte. Präparative Schwierigkeiten könnten dann die Folge sein,
wenn der „Einbau“ der Erdalkali-Ionen selber schichtartig in die Struktur erfolgt und wenig
verbrückend wirkt.
Zum anderen stellt sich die oben beschriebene Problematik der ähnlichen Ionenradien von
Selten-Erd-Ionen (sowohl drei- als auch zweiwertig) und Erdalkali-Ionen (hier speziell Strontium und Barium). Siehe dazu Kapitel III.2.3.
Lanthan gehört zu der Gruppe der Selten-Erd-Elemente, von denen zwar Diiodide bekannt
sind, die aber die interessante Eigenschaft haben, dass ein überschüssiges Elektron in ein dBand delokalisiert ist, ihnen also die Formulierung (M3+)(e-)(I-)2 zukommen muss. In diesen
Diiodiden kommt es zu konstruktiven Wechselwirkungen der einfach besetzten d-Orbitale
der Metall-Ionen, wodurch die Verbindungen metallisch leitende Eigenschaften zeigen. So
überlappen in LaI2 Orbitale mit hohem dx²-y²-Anteil in a- und b-Richtung [12] (Abb. III.2.4.1
und III.2.4.2), was zu einer Stabilisierung der Verbindung beiträgt. Kann trotz des Einbaus von
Erdalkaliionen in eine derartige Struktur eine Überlappung von d-Orbitalen des Selten-ErdMetalls beibehalten werden, so sollte die Bildung von Verbindungen des Typs BMI4, B2MI6,
BM2I6 etc. möglich sein.
38
Darstellung von SrLaI4
Die Darstellung von SrLaI4 gelang durch metallothermische Reduktion von LaI3 mit elementarem Strontium im Verhältnis 2:1. Die Reaktion wurde in einer Tantalampulle durchgeführt,
die zum Schutz vor Oxidation von einer evakuierten Kieselglasampulle ummantelt war und zur
Reaktion in einen Röhrenofen gegeben wurde. Die Umsetzung erfolgte durch Aufschmelzen
der Edukte bei 850°C und Halten dieser Temperatur für 10 Stunden. Durch einen Abkühlprozess
von 1°C/h auf 400°C mit anschließendem schnelleren Abkühlen (10°C/h) auf Raumtemperatur
wurden schön gewachsene Kristalle erhalten, die von stäbchenförmigem Habitus und schwarzer, metallisch glänzender Farbe waren. Je nach Ausrichtung der Kristalle zum Licht einer
Schwanenhalslampe änderte sich die optische Erscheinung der Kristalle jedoch von schwarzmetallisch zu blau-metallisch glänzend. Mehrere dieser Kristalle wurden in Glaskapillaren
präpariert und eingeschmolzen. Eine Überprüfung der Kristallqualität erfolgte auf röntgenographischem Weg. Von dem am besten geeignet erscheinenden Kristall wurde mit Hilfe des
IPDS ein vollständiger Intensitätsdatensatz ermittelt. Neben der Titelverbindung enthielt der
Reaktionsansatz noch die weiteren Umsatzprodukte LaI2 und SrI2. Möglicherweise kann die
Reaktionsführung noch optimiert werden, um zu phasenreinen Proben von SrLaI4 zu gelangen.
Darstellung von BaLaI4
Die Synthese von BaLaI4 erfolgte auf gleichem Wege wie für SrLaI4 im vorherigen Abschnitt
beschrieben. Jedoch wurde zur Umsetzung der Edukte in der Schmelze nur auf 800°C aufgeheizt. Der Abkühlprozess erfolgte auf analoge Weise. Kristalle der Zusammensetzung BaLaI4
zeigen gleiche optische Eigenschaften wie die schwarze metallisch glänzende Farbe, die je
nach Orientierung nach blau-metallisch glänzend wechselt, und lassen sich ebenfalls gut von
den übrigen Reaktionsprodukten, in der Hauptsache BaI2 und Lanthandiiodid separieren.
Kristallstruktur von SrLaI4 und BaLaI4
SrLaI4 und BaLaI4 kristallisieren isotyp in einem eigenen Strukturtyp im monoklinen Kristallsystem mit der Raumgruppe I 2/a (Nr.15). Die Aufstellung der monoklinen Elementarzelle in
der innenzentrierten Metrik folgt der Empfehlung der International Union of Pure and Applied
Chemistry (IUPAC), nach der im monoklinen Kristallsystem bei einer c-Zentrierung der
Elementarzelle eine Transformation in eine innenzentrierte Aufstellung der Elementarzelle
erfolgen soll, wenn dadurch der Betrag des monoklinen Winkels (hier b) stark verringert
werden kann. Angaben zu den kristallographischen Daten und ihrer Bestimmung finden sich in
39
Tab. III.2.4.1. Lageparameter und Koeffizienten der anisotropen Temperaturfaktoren sind in
Tab. III.2.4.2 und III.2.4.3 aufgelistet.
Hervorstechendes strukturelles Merkmal der Kristallstruktur von SrLaI4/BaLaI4 bilden Stränge flächenverknüpfter [LaI8]-Polyeder, die entlang [100] ausgerichtet sind. Die [LaI8]-Polyeder haben die Form leicht verzerrter quadratischer Antiprismen, in deren Zentrum sich das
Lanthan-Ion mit einem mittleren Abstand von 334,49 pm (SrLaI4) bzw. 335,14 pm (BaLaI4)
befindet (Tab. III.2.4.4a und III.2.4.4b). Der Lanthan-Lanthan-Abstand beträgt dabei 371,16(5)
pm in SrLaI4 bzw. 370,71(5) pm in BaLaI4. Vergleicht man diese Werte mit denjenigen in LaI2
und LaI, so fällt auf, dass die Lanthan-Lanthan-Abstände in SrLaI4 und BaLaI4 um etwa 8-9%
kürzer sind. Ein Vergleich von Lanthan-Lanthan-Abständen einiger binärer und ternärer
Lanthaniodide ist in Tab. III.2.4.1 gegeben, wobei La9O4I16 zu sog. Cluster-Verbindungen gezählt werden kann (vergl. dazu Abschnitt III.3).
Tab. III.2.4.1 Übersicht über Lanthan-Lanthan-Abstände einiger binären und ternären Lanthaniodiden
LaI2
[11,33]
LaI
[66]
d(La-La)
d(La-I)
392,2 pm
335 pm
393 pm
332 pm
SrLaI4
diese Arbeit
371,16(5) pm
330-338,7 pm
BaLaI4
diese Arbeit
370,71(5) pm
333-336,7 pm
La9O4I16
diese Arbeit
356,1-409,4 pm
328,9-367,9 pm
Das Sr2+- bzw. Ba2+-Ion wird ebenfalls durch acht Iod-Atome in Form eines verzerrten quadratischen Antiprismas koordiniert (Abb. III.2.4.6). Der mittlere Sr-I- bzw. Ba-I-Abstand beträgt
344,1 bzw. 355,2 pm. Die [LaI8]-Polyeder sind über gemeinsame Dreiecksflächen der quadratischen Antiprismen mit jeweils drei [SrI8]- bzw. [BaI8]-Polyedern verknüpft. Die [SrI8]bzw. [BaI8]-Polyeder sind über gemeinsame Kanten miteinander verknüpft und bilden ein Halbring um die [LaI8]-Polyeder. Dadurch werden in der Struktur zwischen zwei [LaI8]-PolyederSträngen und den umgebenden [SrI8]- bzw. [BaI8]-Polyedern größere Hohlräume gebildet.
Während es bei LaI2 zu der in Abb. III.2.4.1 dargestellten Aufspaltung der 5d-Orbitale mit
zwei entarteten Orbitalen im energetisch niedrigsten Zustand kommt, sollte die Entartung der
5d-Orbitale in SrLaI4 und BaLaI4 entsprechend der Punktsymmetrie C2 des Lanthan-Ions völlig aufgehoben sein.
40
Abb. III.2.4.1 Aufspaltung der d-Orbitale in trigonal-prismatischer und würfelförmiger Umgebung [12]
Eine Entartung des dx²-y²- und dz²-Orbitals sollte nicht gegeben sein sein, da die Anordnung
zweier Würfelflächen um 45° gegeneinander verdreht ist. Das dx²-y²-Orbital sollte eine Energieerhöhung erfahren, da die Orbitalhanteln mit den bindenden Elektronenpaaren der Liganden
verstärkt wechselwirken (Abb. III.2.4.3). Als geeignet für Wechselwirkungen der 5d-Orbitale
untereinander erscheint das aufgrund der Elektronenkonfiguration 4fn 5d1 6s0 einfach besetzte dz²-Orbital mit seiner senkrechten Ausrichtung durch die quadratischen Flächen der [LaI8]Polyeder. Da die [LaI8]-Polyeder über diese Flächen miteinander verknüpft sind, kommt es zu
bindenden Wechselwirkungen, und ein eindimensionales Leitungsband, welches nur halb besetzt ist, wird aufgebaut. Die Elektronen können sich innerhalb diese Bandes frei bewegen.
Genaueres können Bandstrukturrechnungen und richtungsabhängige Leitfähigkeitsmessungen
ergeben. Für letztere sind allerdings größere Einkristalle nötig.
Abb. III.2.4.2 Orientierung der dz²- und dx²-y²-Orbitale in einer würfelförmigen Umgebung. Die Liganden
des Zentralteilchens sind auf den Ecken des Würfels lokalisiert. Abb. entnommen aus [12]. Die beiden
Orbitale stellen die unteren entarteten Orbitale aus Abb. III.2.4.1 dar
41
Abb. III.2.4.3 Wahrscheinliche Orientierungen der d-Orbitale in einer quadratisch-antiprismatischen Koordination. Auf den acht Ecken des quadratischen Antiprismas befinden sich die koordinierenden IodIonen. Die dxy-, dxz-, dyz-, und dx²-y²-Orbitale sollten jedoch geometrisch gehindert und somit energetisch
angehoben sein
y
z
Ba
La
I
Abb. III.2.4.4 Darstellung der Elementarzelle von BaLaI4 mit Blickrichtung entlang [100]. Die Struktur
von SrLaI4 ist isotyp. Blaue Polyeder bilden unendliche Stränge entlang [100]
42
Tab. III.2.4.1 Kristallographische Daten für SrLaI4 sowie BaLaI4 und ihre Bestimmung
Summenformel
SrLaI4
BaLaI4
Molmasse [g/mol]
734,12
783,84
a = 742,3(1)
a = 741,4(1)
b = 1485,2(3)
b = 1504,0(2)
c = 862,3(1)
c = 896,8(1)
b = 101,07(2)
b = 102,28(2)
933,0(2)
977,1(2)
Gitterkonstanten [pm/grd]
Zellvolumen.106 [pm³]
Formeleinheiten pro Elementarzelle
4
Kristallsystem
monoklin
Raumgruppe
I2/a (Nr. 15)
Meßgerät
Stoe IPDS-I
Verwendete Strahlung
Mo-Ka (Graphit-Monochromator)
(l = 71,073 pm)
Meßtemperatur
293K
Scan-Modus
100 Bilder in 2°-Schritten
125 Bilder in 2°-Schritten
Meßbereich
5,48 < 2Q < 56,02
5,38 < 2Q < 54,00
-8 < h < 8; -19 < k < 19; -11< l < 11
F(000)
307
Absorptionskorrektur
m[mm-1]
325
numerisch
23,376
20,864
Zahl der gemessenen Reflexe
4388
5314
davon symmetrieunabhängig
1063
1010
beobachtete Reflexe [I0>2s(I)]
969
833
1063 / 30
1010 / 30
0,0620
0,0379
Daten / Parameter
Rint
Strukturbestimmung
Streufaktoren
goodness of fit
SHELXS-97 [16] und SHELXL-97 [17]
International Tables Vol. C [30]
1,084
1,028
R1[I0>2s(l); alle Daten]
0,0283; 0,0314
0,0262; 0,0352
wR2[I0>2s(l); alle Daten]
0,0685; 0,0699
0,0614; 0,0646
43
Tab. III.2.4.2 Lageparameter und äquivalente Temperaturfaktoren Ueqa) für SrLaI4 und BaLaI4 [pm²]
Lage
x/a
y/b
z/c
Ueqa)
0,25
0,63589(7)
0
335(3)
Ba
0,25
0,63501(7)
0
327(3)
La
0,25
0,49924(3)
0,5
178(2)
0,25
0,50022(5)
0,5
167(2)
0,03135(7)
0,67699(3)
0,62182(5)
246(2)
0,02914(9)
0,67430(4)
0,61587(7)
228(2)
0,06979(6)
0,43672(3)
0,80438(5)
226(2)
0,07781(9)
0,43526(4)
0,79630(7)
219(2)
Sr
4e
4e
La
I(1)
8f
I(1)
I(2)
8f
I(2)
a)
Ueq = 1/3 [U22 + 1/sin²b (U11 + U33 + 2U13cosb)] [31]
Tab. III.2.4.3 Koeffizienten der anisotropen Temperaturfaktoren Uijb) für SrLaI4 und BaLaI4 [pm²]
b)
U11
U22
U33
U23
U13
U12
Sr
406(7)
329(6)
283(2)
0
102(4)
0
Ba
428(6)
297(5)
279(5)
0
126(4)
0
La
203(3)
170(3)
159(3)
0
26(2)
0
La
173(4)
168(4)
163(3)
0
40(3)
0
I(1)
287(3)
174(2)
266(3)
-23(2)
29(2)
-14(2)
I(1)
258(4)
168(3)
253(3)
-15(2)
41(2)
-18(2)
I(2)
248(3)
246(3)
180(2)
29(2)
32(2)
-22(2)
I(2)
237(4)
237(3)
184(3)
31(2)
46(2)
-24(2)
Der anisotrope Temperaturfaktor hat die Form: exp[-2p(h²a*2 U11 +...+ 2hka*b* U12)] [32]
44
Tab. III.2.4.4a Interatomare Abstände in BaLaI4 [pm]
Abstände [pm]
Abstände [pm]
La-I(1)
2x
336,72(9)
Ba-I(1)
2x
353,53(9)
La-I(1)'
2x
336,74(9)
Ba-I(1)'
2x
356,5(1)
La-I(2)
2x
332,99(8)
Ba-I(2)
2x
350,00(8)
La-I(2)'
2x
334,10(9)
Ba-I(2)'
2x
360,6(1)
mittlerer Abstand La-I
La-La
2x
335,14
mittlerer Abstand Ba-I
355,16
370,71(5)
Tab. III.2.4.4b Interatomare Abstände in SrLaI4 [pm]
Abstände [pm]
Abstände [pm]
La-I(1)
2x
337,07(7)
Sr-I(1)
2x
340,71(8)
La-I(1)'
2x
338,72(7)
Sr-I(1)'
2x
348,1(1)
La-I(2)
2x
329,99(6)
Sr-I(2)
2x
334,39(7)
La-I(2)'
2x
332,19(7)
Sr-I(2)'
2x
353,8(1)
334,49
mittlerer Abstand Sr-I
mittlerer Abstand La-I
La-La
2x
371,16(5)
344,25
45
I2
I1
I1
I2
La
I2
I1
I1
I2
Abb. III.2.4.5 Darstellung des Koordinationspolyeders um das Lanthan-Ion
I1
I2
I2
I1
Ba
I1
I2
I2
I1
Abb. III.2.4.6 Darstellung des Koordinationspolyeders um das Barium- bzw Strontium-Ion
46
y
z
x
Ba
La
I
Abb. III.2.4.7 Darstellung der Verbrückung zweier [LaI8]-Polyeder-Stränge durch [BaI8]-Polyeder. Gut
zu erkennen sind die Hohlräume, die durch das Verknüpfungsmuster zwischen [LaI8]- und [BaI8]-Polyedern
gebildet werden. Die Verknüpfung von [LaI8]- und [BaI8]-Polyedern erfolgt über gemeinsame Dreiecksflächen. Die [BaI8]-Polyeder sind über gemeinsame Kanten miteinander verknüpft
47
III.2.5 Die Bildung von LaI2 im System Sr / LaI3
Allgemeines
Mitte der siebziger Jahre des letzten Jahrhunderts konnte von Warkentin anhand von Pulverdaten die Kristallstruktur von LaI2 aufgeklärt werden [33]. Er fand für die Verbindungen LaI2,
CeI2 und eine Modifikation des PrI2 (PrI2-I) eine Übereinstimmung in den Kristallstrukturen,
wonach diese Verbindungen in einer Variante des MoSi2-Typs kristallisieren. In diesen Verbindungen liegt kein „echtes“ zweiwertiges Metallkation vor; das Metallkation befindet sich
im dreiwertigen Valenzzustand. Das überschüssige Elektron liegt dabei in einem delokalisierten
Zustand im 5d-Band vor, was auch durch das schwarze, metallisch glänzende Aussehen der
Verbindung in Kristallform unterstützt wird. Die Summenformel muss richtiger (La3+)(e-)(I-)2
lauten. Aufgrund dieses freien Elektrons stieg daher rasch das Interesse an diesen metallischen Diiodiden der großen Selten-Erd-Elemente. Einige Zeit nach der strukturellen Charakterisierung erfolgten Untersuchungen zur Leitfähigkeit und Suszeptibilität, die frühere Untersuchungen korrigierten. Wilson und Mitarbeiter [11] fanden für die Leitfähigkeit bei Raumtemperatur einen ähnlichen Wert wie Corbett et al.[67], aber die von letzteren beschriebene
Diskontinuität der Temperaturabhängigkeit der Leitfähigkeit konnte nicht bestätigt werden.
Diese Diskontinuität der Leitfähigkeit sollte laut Corbett auf einen Phasenübergang bei tiefen Temperaturen, einhergehend mit der Bildung von Metall-Metall-Bindungen, zurückzuführen sein. Unterstützt werden diese Ergebnisse durch theoretische Untersuchungen von Canadell
und Whangbo [12]. In diesen Berechnungen wird der entscheidende Beitrag für das zweidimensional metallische Verhalten dem dx2-y2-Orbital zugeordnet. Gleiche Ergebnisse werden
von Jepsen und Andersen für LaI2 und auch CeI2 gefunden [68].
Abb. III.2.5.1 Wechselwirkungen der dx²-y²- und dz²-Orbitale in LaI2. Blick auf eine Schicht flächenverknüpfter [LaI8]-Würfel entlang [001]. Abb. aus [12]
48
Experimentelles
LaI2 wurde als weiteres Produkt neben SrLaI4 bei der Umsetzung von Strontium-Metall mit
LaI3 gefunden. Präparation und Reaktionsbedingungen: siehe Abschnitt III.2.4 „Darstellung
von SrLaI4“.
Zur Kristallstruktur von LaI2
Wie schon von Warkentin berichtet [33], kristallisiert LaI2 tetragonal mit der Raumgruppe I4/
mmm (Nr. 139) im CuTi2-Typ. Angaben zu den Kristalldaten und deren Bestimmung finden
sich in Tab. III.2.5.1.
LaI2 gehört zu Verbindungen des Typs AB2, die in einer Schichtstruktur kristallisieren, welche
als Variante des MoSi2-Typs anzusehen ist. Die Schichtfolge der Anionen lautet dabei
ABBAABBA..., und die Kationen besetzen die würfelförmigen Lücken der Anionen-Schichten gleicher Zuordnung (Abb. III.2.5.2). Abhängig vom c/a-Verhältnis der Gitterkonstanten
wird zwischen CuTi2- und MoSi2-Typ unterschieden. Bei Vertretern des MoSi2-Typs wird ein
Verhältnis von c/a » 2,6 gefunden. Der Abstand benachbarter Schichten ist dabei verkürzt, so
dass zusätzlich zu der würfelförmigen Koordination zwei Liganden, die entlang der c-Richtung koordinieren, zur Koordinationssphäre des A-Teilchens gezählt werden können. Im CuTi2Typ ist der Abstand zwischen den Schichten dagegen aufgeweitet. Das c/a-Verhältnis beträgt
etwa 3,6. Für die Koordination des A-Teilchens wird lediglich eine achtfache Koordination in
Form eines Würfels gefunden. Die so ausgebildeten Schichten stellen einen zweidimensionalen Ausschnitt aus der CsCl-Struktur dar.
Für LaI2 beträgt das c/a-Verhältnis 3,56. LaI2 muss damit dem CuTi2-Typ zugeordnet werden.
Der La-I-Abstand beträgt in LaI2 336,6(2) pm. Der Lanthan-Lanthan-Abstand beträgt 393,6(1)
pm und ist vergleichbar mit dem Lanthan-Lanthan-Abstand in LaI, der von Corbett mit 393 pm
angegeben wird [66]. Der [LaI8]-Würfel ist entlang [001] um 15 pm gestaucht (Abb. III.2.5.1).
Durch Vergleich der gefundenen Werte für die Gitterkonstanten mit den von Warkentin angegebenen Daten läßt sich eine gute Übereinstimmung feststellen:
eigene Daten
Warkentin [33]
a = 393,6(1) pm
c = 1400,2(7) pm
392,2(1) pm
1397(1) pm
49
Tab. III.2.5.1 Kristallographische Daten für LaI2 und ihre Bestimmung
Summenformel
LaI2
Molmasse [g/mol]
392,71
Gitterkonstanten [pm]
a = 393,6(1)
c = 1400,2(7)
Zellvolumen.106 [pm³]
216,9(1)
Formeleinheiten pro Elementarzelle
2
Kristallsystem
tetragonal
Raumgruppe
I4/mmm (Nr. 139)
Meßgerät
Stoe IPDS-I
Verwendete Strahlung
Mo-Ka (Graphit-Monochromator)
(l = 71,073 pm)
Meßtemperatur
293K
Scan-Modus
100 Bilder in 2°-Schritten
Meßbereich
5,82 < 2Q < 51,90
-4 < h < 4; -4 < k < 4; -16< l < 16
F(000)
163
Absorptionskorrektur
numerisch
m[mm-1]
23,844
Zahl der gemessenen Reflexe
935
davon symmetrieunabhängig
88
beobachtete Reflexe [I0>2s(I)]
69
Daten / Parameter
88 / 7
Rint
0,2041
Strukturbestimmung
SHELXS-97 [16] und SHELXL-97 [17]
Streufaktoren
International Tables Vol. C [30]
goodness of fit
1,170
R1[I0>2s(l); alle Daten]
0,0555; 0,0734
wR2[I0>2s(l); alle Daten]
0,1289; 0,1423
50
Tab. III.2.5.2 Lageparameter und äquivalente Temperaturfaktoren Ueqa) für LaI2 [pm²]
a)
Lage
x/a
y/b
z/c
Ueqa)
La
2a
0
0
0
156(12)
I
4e
0
0
0,3648(2)
186(12)
Ueq = 1/3 (U11 + U22 + U33) [31]
Tab. III.2.5.3 Koeffizienten der anisotropen Temperaturfaktoren Uijb) für LaI2 [pm²]
b)
U11
U22
U33
U23
U13
U12
La
78(13)
78(13)
310(20)
0
0
0
I
122(13)
122(13)
310(20)
0
0
0
Der anisotrope Temperaturfaktor hat die Form: exp[-2p(h²a*2 U11 +...+ 2hka*b* U12)] [32]
378,6 pm
393,6 pm
Abb. III.2.5.2 Darstellung des würfelförmigen [LaI8]-Polyeders. Der Würfel ist entlang [001] gestaucht
51
x
z
La
I
Abb. III.2.5.3 Darstellung der Schichtstruktur von LaI2. Blick auf (101)
52
III.2.6 Existiert SrPrI4? Das System Sr / PrI3 und die Bildung von Pr2I5
Allgemeines
In frühen phasenanalytischen Untersuchungen [62] wurden Linienphasen der Zusammensetzungen MI2,4-2,5 (M = La, Ce, Pr) gefunden, deren Charakterisierung erst später mit Hilfe röntgenographischer Methoden an Einkristallen erfolgte. Demnach handelt es sich bei diesen
Phasen um Verbindungen des Typs M2X5 (M = La, Ce, Pr; X = Br, I) [69]. In diesen Verbindungen findet man analog zu den Diiodiden der Elemente Lanthan, Cer und Praseodym überschüssige Elektronen im Leitungsband, wonach die Diiodide besser als (M3+)(e-)(I-)2 und die
Verbindungen des Typs M2X5 als (M3+)2(e-)(I-)5 formuliert werden müssen. Während bei den
Diiodiden ein Elektron innerhalb der ¥2[MI8]-Schichten (tetragonale Schichtstruktur mit würfelförmig koordinierten Metallatomen) frei beweglich ist und metallische Eigenschaften verursacht, ist in den Verbindungen M2X5 das Elektron in einer Einelektron-Dreizentren-Bindung zwischen drei Metallatomen lokalisiert. Aus diesem Grund sind letztere Halbleiter [70],
wenn auch die halbleitenden Eigenschaften nur schwach ausgeprägt sind [71]. Die Bandstruktur
zeigt zwei eng beieinander liegende d-Bänder, welche sich mehr als 1eV unterhalb des Pr-dBlocks befinden und zwei Elektronen enthalten. Dies müßte eigentlich zu metallischem Verhalten führen, wird aber durch eine Lokalisierung der Elektronen verhindert [70].
In anderen halbleitenden Verbindungen, wie z.B. Gd2Cl3, findet man dagegen eine vollkommen
andere Situation für die überschüssigen Elektronen, nämlich eine Lokalisierung in Zweizentrenund Vierzentren-Gd-Gd-Bindungen [55].
Magnetische Messungen, durchgeführt von Krämer et al., zeigen bei tiefen Temperaturen
einen Wechsel im magnetischen Verhalten von Pr 2I5. So wird unterhalb 37K eine
antiferromagnetische Ordnung festgestellt, die sowohl zwischen den „Schichten“ der PrDoppelstränge, als auch zwischen benachbarten Pr-Doppelsträngen innerhalb dieser „Schichten“ auftritt [70].
Für die Synthese dieser Verbindungen werden in der Literatur zwei Methoden beschrieben:
Einerseits erfolgt die Synthese aus dem Selten-Erd-Element durch Umsetzung mit dem entsprechenden Triiodid nach
5 MX3 + M ® 3 M2X5,
was jedoch mit der gleichzeitigen Bildung von Diiodiden MX2 einhergeht. Andererseits können die Verbindungen M2X5 (M = La, Ce, Pr; X = Br, I) durch Umsetzung der Triiodide mit
Lithium als Reduktionsmittel dargestellt werden. Dabei fungiert das anfallende Nebenpro-
53
dukt LiI bzw. LiBr als „Lösungsmittel“ und kann nach erfolgter Umsetzung optisch von dem
gewünschten Produkt unterschieden und somit leicht separiert werden. Die Reaktion läßt sich
gemäß
2 MX3 + Li ® M2X5 + LiX
beschreiben. Die Umsetzung von Selten-Erd-Triiodid mit Lithium wurde auch von Krämer
[69] zur Synthese größerer Mengen der Verbindungen M2X5 genutzt, um auf diesem Weg Proben für Neutronenbeugungs- und Leitfähigkeitsexperimente phasenrein zu erhalten.
Alle Verbindungen des Typs M2X5 kristallisieren isotyp in einer eigenen, von Warkentin für
Pr2I5 erstmals gefundenen Kristallstruktur [33].
Experimentelles
Bei der Umsetzung von elementarem Strontium mit PrI3 im molaren Verhältnis 1:2 mit dem
Ziel der Synthese von SrPrI4 wurden metallisch glänzende, je nach Orientierung zur Lichtquelle bronzefarbene bis schwarze Kristalle erhalten. Die Umsetzung erfolgte in einer in der
Lichtbogenschweißanlage verschweißten Tantalampulle, die zum Schutz vor Oxidation mit
einer evakuierten Kieselglasampulle umgeben war. In einem Röhrenofen wurden die Edukte
durch Aufschmelzen bei 850°C für zehn Stunden zur Reaktion gebracht. Anschließend wurde
die Temperatur mit 1°C/h auf 400°C abgesenkt, um danach mit 10°C/h auf Raumtemperatur
erniedrigt zu werden. Das Reaktionsprodukt enthielt neben farblosen Kristallen der Zusammensetzung SrI2 metallisch glänzende, im Auflicht bronzefarbene bis schwarze Kristalle, die
stark miteinander verwachsen waren. Mit Hilfe eines Skalpells konnten einige geeignet erscheinende Bruchstücke aus diesen Verwachsungen herauspräpariert werden, die in Glaskapillaren eingeschmolzen wurden. Durch röntgenographische Methoden wurden die Kristalle mit Hilfe des IPDS auf ihre Kristallqualität hin geprüft. Von dem Kristall mit der besten
Qualität wurde ein Intensitätsdatensatz erstellt.
Kristallstruktur
Die Kristallstruktur von Pr2I5 konnte erstmals von Warkentin [33] aufgeklärt werden, wonach
die Verbindung übereinstimmend mit den Ergebnissen dieser Arbeit monoklin in der Raumgruppe P21/m (Nr.11) kristallisiert. Jedoch wird von Warkentin eine Elementarzelle angegeben, die um 200 pm in c-Richtung verlängert ist und einen b-Winkel von 120° besitzt. Weitere Angaben zu den kristallographischen Daten und ihrer Bestimmung finden sich in Tab. III.2.6.1.
In Pr2I5 liegen zwei kristallographisch unterschiedliche Praseodym-Ionen vor, die beide die
spezielle Punktlage 2e besetzen. Beide Lagen sind voll besetzt und liegen auf einer Spiegelebene. Pr(1) ist siebenfach von I--Ionen in Form eines einfach bekappten, leicht verzerrten
54
trigonalen Prismas koordiniert (Abb. III.2.6.5). Alle Pr(1)-I-Abstände liegen im Bereich 315,0339,9 pm (Tab.III.2.6.4). Der Koordinationspolyeder um Pr(2) besitzt die Form eines verzerrten zweifach bekappten trigonalen Prismas (Abb. III.2.6.6). Pr(2) besitzt die Koordinationszahl 7+1, da der Abstand Pr(2)-I(3)-Abstand (419,1 pm) deutlich länger als der Abstand von
Pr(2) zu den anderen I--Ionen ist (321,7-334,4 pm). Dennoch muss dieses I--Ion zur
Koordinationssphäre gezählt werden, da ein äquivalentes I--Ion in der Koodination von Pr(1)
fehlt.
Die Verknüpfung der Pr-Polyeder miteinander erfolgt auf verschiedene Weise. Die Verknüpfung der einfach bekappten trigonalen Prismen der Pr(1)-Koordination erfolgt untereinander
über gemeinsame Kanten (Abb. III.2.6.8), so dass eindimensionale, unendliche Stränge entlang [010] entstehen. Die Pr(2)-Polyeder sind untereinander über gemeinsame Dreiecksflächen
ebenfalls zu eindimensionalen, unendlichen Strängen verknüpft. Die Verknüpfung dieser parallel nebeneinander liegenden verschiedenen Stränge erfolgt über gemeinsame Kanten der
Polyeder (Abb. III.2.6.8).
Für die Verknüpfung derartiger Doppelstränge in die zweite und dritte Dimension sind die
bekappenden Iod-Atome zuständig. Das den Pr(1)-Polyeder bekappende I(5)-Ion verknüpft zu
einem weiteren Pr(1)-Ion eines benachbarten Doppelstrangs, der zur gleichen „Schicht“ von
Pr-Doppelsträngen gehört. Ebenso verknüpft das den Pr(2)-Polyeder bekappende I(4)-Ion
innerhalb der gleichen „Schicht“ zu einem weiteren Pr(2)-Ion eines benachbarten Doppelstrangs. I(3), das als einziges Iod-Ion von Praseodym-Ionen in Form eines gleichschenkligen
Dreiecks umgeben ist, verknüpft dagegen zwei verschiedene Doppelstränge unterschiedlicher „Schichten“ miteinander (Abb. III.2.6.4).
In den trigonal-prismatischen Lücken zwischen zwei Pr(1)- und einem Pr(2)-Prisma ist das
überschüssige Elektron in einem von Praseodym-Ionen aufgespannten Dreieck lokalisiert.
Die Lokalisierung läßt sich aus der Aufspaltung der 5d-Orbitale der Praseodym-Ionen erklären, die für unterschiedlich koordinierte Pr3+-Ionen mit trigonaler Umgebung deutlich verschieden ist (Abb. III.2.6.1).
Abb. III.2.6.1 Aufspaltung der d-Orbitale in trigonal-prismatischer, einfach bekappt trigonal-prismatischer und zweifach bekappt trigonal-prismatische Umgebung [71]
55
Während die Aufspaltung in einem trigonalen Prisma (C.N. = 6) zu drei Energieniveaus führt,
erfährt das dz²-Orbital in einfach bzw. zweifach bekappten trigonalen Prismen eine Stabilisierung. Dies geht mit einer Aufhebung der Entartung der dx²-y²- und dxy-Orbitale einher [71]. In
den Fällen eines einfach bzw. zweifach bekappten trigonalen Prismas sind zwei bzw. ein Orbital aus den nicht bekappten Prismenflächen herausgerichtet [72], was in der Anordnung der
drei Praseodym-Prismen in Pr2I5 zu einer Überlappung von drei Orbitalen im Zentrum des
durch drei Praseodym-Ionen aufgespannten Dreiecks führt (Abb. III.2.6.2). Das überschüssige Elektron besitzt seine größte Aufenthaltswahrscheinlichkeit am Ort der Überlappung und
ist damit nicht mehr frei beweglich.
Abb. III.2.6.2 Schematische Darstellung der Überlappung dreier d-Orbitale im Zentrum des durch drei
Praseodym-Ionen aufgespannten Dreiecks in Pr2I5 [72]
Ein Vergleich von Literaturdaten mit den aus eigenen Arbeiten erhaltenen Daten für die Gitterkonstanten zeigt eine deutliche Diskrepanz zwischen den von Warkentin [33], Krämer [69]
und aus eigenen Arbeiten erhaltenen Werte der Gitterkonstanten. Hier muss eine andere Aufstellung von Warkentin diskutiert werden.
eigene Arbeiten
Krämer [69]
(gemessen bei 50 K)
Warkentin [33]
a = 869,2( 3) pm
a = 863,35(3) pm
a = 866(2) pm
b = 432,46(7) pm
c = 1447,6(4) pm
b = 431,08(1) pm
c = 1438,71(3) pm
b = 431,7(8) pm
c = 1680(2) pm
b = 90,64(2) °
b = 89,456(2) °
b = 120,5(1) °
56
Tab. III.2.6.1 Kristallographische Daten für Pr2I5 und ihre Bestimmung
Summenformel
Pr2I5
Molmasse [g/mol]
916,33
Gitterkonstanten [pm/grd]
a = 869,2(3)
b = 432,46(7)
c = 1447,6(4)
b = 90,64(2) °
Zellvolumen.106 [pm³]
543,5(2)
Formeleinheiten pro Elementarzelle
2
Kristallsystem
monoklin
Raumgruppe
P21/m (Nr. 11)
Meßgerät
Stoe IPDS-I
Verwendete Strahlung
Mo-Ka (Graphit-Monochromator)
(l = 71,073 pm)
Meßtemperatur
293K
Scan-Modus
100 Bilder in 2°-Schritten
Meßbereich
4,70 < 2Q < 53,98
-11 < h < 11; -5 < k < 5; -18< l < 18
F(000)
381
Absorptionskorrektur
numerisch
m[mm-1]
22,558
Zahl der gemessenen Reflexe
8570
davon symmetrieunabhängig
1354
beobachtete Reflexe [I0>2s(I)]
867
Daten / Parameter
1354 / 44
Rint
0,1219
Strukturbestimmung
SHELXS-97 [16] und SHELXL-97 [17]
Streufaktoren
International Tables Vol. C [30]
goodness of fit
0,817
R1[I0>2s(l); alle Daten]
0,0363; 0,0695
wR2[I0>2s(l); alle Daten]
0,0717; 0,0783
57
Tab. III.2.6.2 Lageparameter und äquivalente Temperaturfaktoren Ueqa) für Pr2I5 [pm²]
Lage
x/a
y/b
z/c
Ueq [pm2]
Pr(1)
2e
0,5836(1)
0,75
0,15875(7)
283(3)
Pr(2)
2e
0,9073(1)
0,25
0,34419(7)
324(3)
I(1)
2e
0,6403(2)
0,75
0,38005(8)
316(3)
I(2)
2e
0,9510(1)
0,75
0,18192(8)
302(3)
I(3)
2e
0,3438(2)
0,25
0,22327(8)
320(3)
I(4)
2e
0,1474(1)
0,75
0,42754(8)
306(3)
I(5)
2e
0,6930(1)
0,25
0,0092888)
294(3)
Ueq = 1/3[U22 + 1/sin²b(U11 + U33 + 2U12cosb)] [31]
Tab. III.2.6.3 Koeffizienten der anisotropen Temperaturfaktoren Uijb) für Pr2I5 [pm²]
U11
U22
U33
U23
U13
U12
Pr(1)
332(6)
284(6)
230(5)
0
-81(4)
0
Pr(2)
456(6)
249(6)
265(5)
0
-125(4)
0
I(1)
371(7)
315(7)
259(6)
0
-97(5)
0
I(2)
329(6)
329(7)
246(5)
0
-85(5)
0
I(3)
366(7)
271(7)
320(6)
0
-50(5)
0
I(4)
378(7)
303(7)
234(5)
0
-89(5)
0
I(5)
365(7)
280(7)
236(6)
0
-90(5)
0
b)
Der anisotrope Temperaturfaktor hat die Form: exp[-2p(h²a*2 U11 +...+ 2hka*b* U12)] [32]
58
Tab. III.2.6.4 Interatomaren Abstände in Pr2I5 [pm]
Abstände [pm]
Abstände [pm]
Pr(1)-I(1)
1x
323,6(2)
Pr(2)-I(1)
2x
321,7(2)
Pr(1)-I(2)
1x
320,4(2)
Pr(2)-I(2)
2x
321,8(1)
Pr(1)-I(3)
2x
315,0(1)
Pr(2)-I(4)
2x
322,8(1)
Pr(1)-I(5)
2x
321,0(1)
Pr(2)-I(4)'
1x
334,4(2)
Pr(1)-I(5)'
1x
339,9(2)
Pr(2)-I(3)
1x
419,1(3)
mittlerer Abstand Pr(1)-I
a)
322,3
Pr(1)-Pr(1)
432,5(1)
Pr(1)-Pr(2)
442,9(3)
ohne Berücksichtigung von Abstand Pr(2)-I(3)
mittlerer Abstand Pr(2)-Ia)
Pr(2)-Pr(2)
323,9
432,5(1)
59
x
z
Pr
I
Abb. III.2.6.3 Darstellung der Elementarzelle von Pr2I5 mit Blick entlang [010]
y
xz
Pr
I
Abb. III.2.6.4 Darstellung der Verknüpfung zweier Doppelstränge
60
I5
I3
I5
I3
Pr1
I5
I1
I2
Abb. III.2.6.5 Darstellung der einfach bekappten trigonal-prismatischen Koordination um Pr(1)
I4
I4
I4
I3
Pr2
I2
I2
I1
I1
Abb. III.2.6.6 Darstellung der zweifach bekappten trigonal-prismatischen Koordination um Pr(2)
61
I4
I4
I4
I3
I3
432,5 pm
Pr2
I1
I2
I4
I4
I2
Pr2
I2
I1
I1
442,9 pm
Pr1
I5
432,5 pm
I5
I3
Pr1
I5
I3
I5
I3
I5
Abb. III.2.6.7 Darstellung der Verknüpfung zwischen benachbarten Praseodym-Ionen, indem eine
dreieckförmige Anordnung gebildet wird. In der freien Dreicksfläche hat das überschüssige Elektron seine
größte Aufenthaltswahrscheinlichkeit (Abb. III.2.6.2)
I3
I5
I1
I4
I2
Pr1
I4
I3
Pr2
I5
I3
I4
I5
I1
I2
Pr1
I5
I3
I5
Abb. III.2.6.8 Darstellung der Verknüpfung von Pr(1)- und Pr(2)-Polyedern in Pr2I5
62
III.2.7 Untersuchungen im System Ba/PrI 3: Unterbrochene
Stränge von flächenverknüpften [PrI8]-Polyedern in Ba6Pr3I19
Allgemeines
Mit der Beschreibung der Verbindungen SrLaI4 und BaLaI4 als erste Vertreter des Typs BMI4
(B = Erdalkali-, M = Selten-Erd-Element) stellte sich die Frage, ob und von welchen SeltenErd-Elementen Verbindungen gleicher oder ähnlicher Zusammensetzung dargestellt werden
können. Dafür kommen, neben Lanthan, die Elemente Cer und Praseodym in Betracht. Diesen
drei Elementen ist gemeinsam, dass sie ein Diiodid bilden, welches über ein überschüssiges
Elektron pro Formeleinheit verfügt. Hinzu kommt die strukturelle Isotypie der drei Diiodide,
die jeweils im CuTi2-Typ kristallisieren. In diesem Kapitel wird nun erstmals eine Verbindung
des Systems Ba / PrI3 strukturell beschrieben. Die entsprechenden Experimente im System
Ba / CeI3 führten im Rahmen dieser Arbeit zu keinem Erfolg.
Experimentelles
Im Auflicht metallisch glänzende, leicht rosafarbene und nicht transparente Kristalle von
Ba6Pr3I19 wurden bei der Umsetzung von Barium-Metall mit PrI3 im molaren Verhältnis 1:2
erhalten. Die Reaktionsedukte wurden in eine einseitig verschweißte Tantalampulle eingewogen. Nach Verschluß der Tantalampulle in der Lichtbogenschweißanlage und Ummantelung
mit einer evakuierten Kieselglasampulle wurde das Reaktionsgemenge in einem Röhrenofen
bei 780°C zur Reaktion durch Aufschmelzen gebracht. Anschließend erfolgte langsames Abkühlen (bis 400°C mit 1°C/h, dann mit 10°C/h) auf Raumtemperatur. Die Suche nach geeigneten Kristallen erwies sich als sehr schwierig, da die Kristalle aus schichtartigen Aggregaten
herauspräpariert werden mußten. Geeignet erscheinende Kristalle wurden in Glaskapillaren
eingebracht, verschlossen und zur Überprüfung der Kristallqualität auf dem IPDS röntgenographisch untersucht. Von dem am besten erscheinenden Kristall wurde ein vollständiger
Intensitätsdatensatz erstellt.
63
Kristallstruktur
Ba6Pr3I19 kristallisiert nach Auskunft der Röntgenstrukturanalyse in einer eigenen Struktur im
monoklinen Kristallsystem mit der Raumgruppe C2/c (Nr. 15) mit vier Formeleinheiten pro
Elementarzelle. Weitere Angaben zu den kristallographischen Daten und deren Bestimmung
finden sich in Tab. III.2.7.1.
In Ba6Pr3I19 findet sich, ähnlich zu SrLaI4 und BaLaI4, das Strukturmotiv von Strängen flächenverknüpfter quadratischer Antiprismen, in denen die Praseodym-Ionen die Zentralteilchen
darstellen. Diese Stränge sind jedoch durch eine annähernd würfelförmige Lücke zu [Pr3I16]Einheiten unterbrochen (Abb. III.2.7.1, III.2.7.5). Dabei werden diese [Pr3I16]-Einheiten durch
zwei kristallographisch unterscheidbare Pr-Ionen aufgebaut. Pr(1) liegt auf einer Spiegelebene und ist zu zwei Pr(2)-Ionen, die sich zu Pr(1) in einem Abstand von 356,4(2) pm befinden, benachbart. Der mittlere Pr-I-Abstand beträgt 330,1 pm (Tab. III.2.7.4a). Die [Pr3I16]Einheiten werden durch Ba2+-Ionen miteinander verbunden. Es existieren drei kristallographisch unterschiedliche Ba2+-Ionen. Ba(1) und Ba(2) sind neunfach in Form eines unregelmäßigen Polyeders von I--Ionen umgeben (Abb. III.2.7.2.c und d). Ba(3) ist achtfach in Form
eines stark verzerrten quadratischen Antiprismas umgeben (Abb. III.2.7.2e). Ba(3) verbindet
die [Pr3I16]-Einheiten senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Stränge (Abb. III.2.7.5), während Ba(1) und Ba(2) sowohl verbrückend entlang der Ausbreitungsrichtung der [Pr3I16]-Einheiten, als auch senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Stränge vernetzend wirken.
Im vorliegenden Fall kann die Struktur nicht durch 5d-Bänder stabilisiert werden, da der Pr(2)Pr(2)-Abstand mit 730 pm zu groß für eine Überlappung der dz²-Orbitale ist. Vielmehr wird
eine Stabilisierung hauptsächlich durch die Wechselwirkung der dz²-Orbitale dreier Pr-Ionen
(Pr(2)-Pr(1)-Pr(2)) gegeben sein. Dabei findet man den Fall, derartige Wechselwirkungen
auf „molekularer“ Basis untersuchen zu können, wenn man die [Pr3I16]-Einheiten isoliert betrachtet. Bandstrukturrechnungen der Titelverbindung sowie ab-initio-Rechnungen der [Pr3I16]Einheit sind erforderlich, um das Verständnis von Wechselwirkungen der 5d-Orbitale zu vertiefen. Auch optische Messungen könnten zeigen, dass die dz²-Orbitale des Pr(1) energetisch
tiefer liegen als die von Pr(2). Für diese Untersuchungen müssen jedoch phasenreine Proben
hergestellt werden, was bislang noch nicht gelang.
64
Tab. III.2.7.1 Kristallographische Daten für Ba6Pr3I19 und ihre Bestimmung
Summenformel
Ba6Pr3I19
Molmasse [g/mol]
2971,23
Gitterkonstanten [pm/grd]
a = 1606,2(2)
b = 1257,1(2)
c = 2263,2(3)
b = 95,08(1)
Zellvolumen.106 [pm³]
4551,8(9)
Formeleinheiten pro Elementarzelle
4
Kristallsystem
monoklin
Raumgruppe
C2/c (Nr. 15)
Meßgerät
Stoe IPDS-I
Verwendete Strahlung
Mo-Ka (Graphit-Monochromator)
(l = 71,073 pm)
Meßtemperatur
293K
Scan-Modus
100 Bilder in 2°-Schritten
Meßbereich
3,62 < 2Q < 48,32
-17 < h < 17; -14 < k < 14; -26< l < 25
F(000)
1520
Absorptionskorrektur
numerisch
m[mm-1]
21,132
Zahl der gemessenen Reflexe
14216
davon symmetrieunabhängig
3564
beobachtete Reflexe [I0>2s(I)]
2028
Daten / Parameter
3564 / 128
Rint
0,0881
Strukturbestimmung
SHELXS-97 [16] und SHELXL-97 [17]
Streufaktoren
International Tables Vol. C [30]
goodness of fit
1,055
R1[I0>2s(l); alle Daten]
0,0747; 0,1172
wR2[I0>2s(l); alle Daten]
0,1876; 0,2011
65
Tab. III.2.7.2 Lageparameter und äquivalente Temperaturfaktoren Ueqa) für Ba6Pr3I19 [pm²]
Lage
a)
x/a
y/b
z/c
Ueqa)
Pr(1)
0
0,2467(2)
0,25
169(6)
Pr(2)
0,1193(1)
0,2459(2)
0,12452(8)
195(5)
Ba(1)
0,8387(2)
0,4248(2)
0,0395(1)
305(6)
Ba(2)
0,030782)
0,8828(2)
0,3928(1)
310(6)
Ba(3)
0,1830(2)
0,6008(2)
0,2159(1)
270(6)
I(1)
0,0073(2)
0,4539(2)
0,1586(1)
226(6)
I(2)
0,0753(2)
0,1697(2)
0,3845(1)
235(6)
I(3)
0,1128(2)
0,0406(2)
0,2155(1)
245(6)
I(4)
0,1945(2)
0,3302(2)
0,2574(1)
220(6)
I(5)
0,6173(2)
0,5422(2)
0,0346(1)
265(6)
I(6)
0,8114(2)
0,6509(2)
0,1341(1)
294(6)
I(7)
0,0422(2)
0,3440(2)
0,9956(1)
259(6)
I(8)
0,2439(2)
0,4458(2)
0,0990(1)
275(6)
I(9)
0
0,7533(3)
0,25
300(6)
I(10)
0,1723(2)
0,7551(2)
0,0863(1)
306(6)
Ueq = 1/3[U22 + 1/sin²b(U11 + U33 + 2U13cosb)] [31]
66
Tab. III.2.7.3 Koeffizienten der anisotropen Temperaturfaktoren Uijb) für Ba6Pr3I19 [pm²]
U11
U22
U33
U23
U13
U12
Pr(1)
137(16)
205(14)
169(13)
0
29(10)
0
Pr(2)
165(12)
235(11)
190(10)
-3(8)
43(8)
0(9)
Ba(1)
286(15)
323(13)
307(13)
-33(10)
28(10)
-55(11)
Ba(2)
307(16)
331(13)
283(12)
-36(10)
-15(10)
-68(12)
Ba(3)
243(14)
240(12)
313(12)
19(9)
-54(10)
-21(10)
I(1)
190(14)
220(12)
258(12)
10(10)
-30(10)
9(10)
I(2)
180(15)
245(12)
276(13)
23(10)
-3(10)
25(10)
I(3)
204(15)
228(12)
300(13)
0(10)
12(10)
15(10)
I(4)
171(14)
225(12)
257(12)
17(9)
-21(10)
1(10)
I(5)
278(16)
295(14)
225(12)
-19(10)
40(10)
19(11)
I(6)
212(15)
376(15)
300(13)
-36(11)
52(11)
67(12)
I(7)
271(16)
275(13)
234(12)
22(10)
39(10)
-16(11)
I(8)
227(15)
305(14)
300(13)
38(11)
61(10)
-34(12)
I(9)
280(20)
261(19)
341(19)
0
-71(15)
0
I(10)
262(15)
281(14)
360(14)
18(11)
-67(11)
10(12)
b)
Der anisotrope Temperaturfaktor hat die Form: exp[-2p(h²a*2 U11 +...+ 2hka*b* U12)] [32]
67
Tab. III.2.7.4a Interatomare Abstände in Ba6Pr3I19 [pm]
Abstände [pm]
Abstände [pm]
Pr(1)-I(1)
2x
333,4(3)
Ba(1)-I(1)
366,6(3)
Pr(1)-I(2)
2x
331,7(2)
Ba(1)-I(2)
383,9(4)
Pr(1)-I(3)
2x
329,5(3)
Ba(1)-I(5)
384,2(2)
Pr(1)-I(4)
2x
328,6(3)
Ba(1)-I(6)
360,8(4)
Ba(1)-I(7)
360,6(4)
Ba(1)-I(7)'
364,6(4)
Ba(1)-I(8)
367,5(4)
mittlerer Abstand Pr(1)-I
330,8
Pr(2)-I(1)
330,3(3)
Ba(1)-I(10)
362,9(4)
Pr(2)-I(2)
325,7(3)
Ba(1)-I(10)'
365,0(4)
Pr(2)-I(3)
330,9(3)
Pr(2)-I(4)
331,4(3)
Pr(2)-I(5)
326,9(3)
Pr(2)-I(6)
329,8(3)
Pr(2)-I(7)
330,6(3)
Pr(2)-I(8)
329,5(3)
mittlerer Abstand Pr(2)-I
Pr(1)-Pr(2)
2x
329,4
356,4(2)
mittlerer Abstand Ba(1)-I
368,5
68
Tab. III.2.7.4b Interatomare Abstände in Ba6Pr3I19 [pm]
Abstände [pm]
Abstände [pm]
Ba(2)-I(2)
368,4(4)
Ba(3)-I(1)
352,1(3)
Ba(2)-I(3)
377,4(4)
Ba(3)-I(3)
358,4(4)
Ba(2)-I(5)
351,3(3)
Ba(3)-I(4)
351,3(3)
Ba(2)-I(5)'
361,5(4)
Ba(3)-I(4)'
353,0(3)
Ba(2)-I(6)
394,7(4)
Ba(3)-I(6)
344,5(3)
Ba(2)-I(7)
367,5(4)
Ba(3)-I(8)
349,5(4)
Ba(2)-I(8)
369,4(4)
Ba(3)-I(9)
Ba(2)-I(9)
2x
Ba(2)-I(10)
2x
361,3(4)
370,3(4)
mittlerer Abstand Ba(3)-I
mittlerer Abstand Ba(2)-I
364,8(3)
368,3
354,8
69
y
x
z
Ba
Pr
I
Abb. III.2.7.1 Perspektivische Darstellung der Elementarzelle von Ba6Pr3I19. [Pr3I16]-Einheiten sind als
grüne Polyeder dargestellt
70
I4
I1
I3
I8
I6
Pr2
Pr1
I1
I2
I4
I4
I3
I1
I3
I2
Abb. III.2.7.2b
Abb. III.2.7.2a
I2
I2
I10
I7
I7
I5
I2
I8
I10
I1
Ba2
I3
Ba1
I7
I10
I8
I7
I5
I5
I5
I6
I6
I9
Abb. III.2.7.2d
Abb. III.2.7.2c
I6
I9
I4
I1
Ba3
I4
I3
I8
I10
Abb. III.2.7.2e
Abb. III.2.7.2a-e Darstellung der Koordinationspolyeder um Pr(1), Pr(2), Ba(1), Ba(2) und Ba(3)
71
Pr2
Pr1
Pr2
Abb. III.2.7.3 Darstellung der [Pr3I16]-Einheit. Der Pr(2)-Pr(2)-Abstand beträgt 356,4 pm
Ba1
Ba2
Pr2
Pr1
Pr2
Pr2
Pr1
I2
Pr2
Ba2
Ba1
Abb. III.2.7.4 Darstellung zweier [Pr3I16]-Einheiten mit verbrückenden Ba(1)- und Ba(2)-Polyedern.
Der Abstand Pr(2)-Pr(2) beträgt 730 pm
72
x
Pr2
y
z
Pr2
Pr1
I10
Pr2
Ba3
I9
Pr1
Pr2
Abb. III.2.7.5 Darstellung der Verbrückung zweier [Pr3I16]-Einheiten über ein Ba(3)-Polyeder
73
III.3 Verbindungen mit [La4O]-Tetraedern als strukturgebendem Merkmal
III.3.1 Vorbemerkungen
Bei Arbeiten zur Synthese von reduzierten Selten-Erd-Halogeniden ist ein sauerstoff- und
feuchtigkeitsfreies Arbeiten nötig, da die Bildung der Oxidhalogenide der Selten-Erd-Elemente thermodynamisch sehr stark begünstigt ist. Jedoch läßt sich nicht immer ausschließen,
das geringste Spuren an Sauerstoff z.B. an der Ampulleninnenwand nach der Reinigung der
Ampulle zurückbleiben. Die Reinigung der verwendeten Tantalampullen erfolgt durch Verwendung eines Gemisches aus 25% konz. HNO3, 25% HF (40%ig) und 50% konz. H2SO4.
Dieses Säuregemisch entfernt die Oxidschicht des Ampullenmaterials, die an der Oberfläche
haftet. Dabei wird jedoch auch das Ampullenmaterial selber angegriffen, was zu einer vollständigen Auflösung des Materials führt, wenn man den Reinigungsprozeß nicht rechtzeitig
abbricht. Bei sehr dünner Wandstärke des Ampullenmaterials besteht nun die Gefahr, dass die
Oxidschicht durch zu kurze Behandlung nicht vollständig entfernt wird. Eine weitere Sauerstoffquelle stellen die eingesetzten Selten-Erd-Trihalogenide dar. Ist die Reinigung der SeltenErd-Trihalogenide nicht sorgfältig genug durchgeführt worden, kann das verwendete Sublimat
nach der Reinigung noch Oxidhalogenidanteile enthalten. Ähnliches gilt für die eingesetzten
Metalle, die als Reduktionsmittel dienen. Durch die hohen Reaktionstemperaturen und die
hohe Oxophilie der Selten-Erd-Elemente kann der Sauerstoff in das Reaktionsgeschehen eingreifen, was zur Bildung von Oxidhalogeniden der Selten-Erd-Elemente führt. Ist jedoch das
Verhältnis des Sauerstoffs zu den Edukten gering, kann es zur Bildung von sauerstoffzentrierten
Clusterverbindungen kommen, deren Existenz stark von der Konzentration des Sauerstoffs
im Reaktionsgemisch abhängig ist.
Als Cluster-Verbindungen bezeichnet man Verbindungen, in denen eine Anhäufung gleichartiger Metallatome gefunden wird [73]. Clusterverbindungen der Selten-Erd-Elemente mit Brom
und in der überwiegenden Mehrzahl mit Iod sind in einem breiten Spektrum bekannt. Gemeinsam ist diesen Cluster-Verbindungen, dass sie durch ein interstitielles Atom stabilisiert werden. Dieses interstitielle Atom ist in der Regel ein Vertreter der zweiten Periode (z.B. Bor,
Kohlenstoff oder Stickstoff) oder ein Übergangsmetall. Von Simon und Mitarbeitern konnten
einige interessante Clusterverbindungen der Elemente Lanthan, Cer, Praseodym und
Gadolinium synthetisiert werden. So wird eine Reihe von Vertretern der Zusammensetzung
M4X5B4 (M = La, Ce, Pr, Gd; X = Br, I) beschrieben [74], die sogar in sehr guten Ausbeuten
erhältlich sind. Überraschend dabei ist die Existenz der Verbindung Nd4I5B4, da für Neodym
74
gewöhnlich eine „echte“ zweiwertige Valenz angenommen wird und dieses ein vollkommen
anderes Verhalten zeigt als die Elemente La, Ce und Pr. Als weitere Verbindungen seien
Ce15N7I24 [75], La3Br6N [76] oder auch La2C2Br2 [77] u.a. genannt.
Selten-Erd-Clusterverbindungen mit Übergangsmetallen als interstitiellem Atom sind von
Corbett et al. in einer Vielzahl beschrieben worden. So sind Clusterverbindungen der Elemente Yttrium, Lanthan, Cer, Praseodym und Gadolinium synthetisiert worden. Ein häufig
gefundenes Strukturmerkmal ist das [M6Z]-Oktaeder, wobei durch Variation der Verknüpfung
der [M6Z]-Oktaeder über gemeinsame I--Ionen unterschiedlichste Zusammensetzungen erreicht werden. Als Beispiele seien Verbindungen des Typs M7I12Z [78], M6I10Z [79], M4I5Z
[80] oder M3I3Z [54] genannt (M = Y, La, Pr, Gd; Z = Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Re, Ir, Os, Pt). In
Gd3I3Mn dagegen werden Doppelketten von [Gd5]-Pyramiden gefunden, die über eine Zickzack-Kette von Mn-Ionen verknüpft werden [81]. Größere Clustereinheiten werden dagegen
in Y4Ru4I5 gefunden [82], wo analog zu Y16Ru4Br20 und Y16Ir4Br24 [83] Einheiten von [Y16Z4]Clustern gefunden werden, die sich durch Kondensation zweier kantenverknüpfter Oktaederdoppel beschreiben lassen (Abb. III.3.1.1).
Abb. III.3.1.1 Lage der Vierzentren-Zweielektronen- und Zweizentren-Zweielektronen-Bindung in Gd2Cl3
innerhalb der kondensierten Metalloktaeder. Abb. aus [35]
75
III.3.2 Trans-Kettenverknüpfte [La4O]-Tetraeder in La9O4I16
Allgemeines
Cluster des Lanthans mit Iod sind in einer großen Anzahl mit Übergangsmetallen, Bor, Kohlenstoff oder Stickstoff als interstitiellem Atom bekannt (siehe Abschnitt III.3.1). Sauerstoffzentrierte Cluster des Lanthans sind bislang nicht geschrieben worden, obwohl alle SeltenErd-Elemente aufgrund ihrer hohen Oxophilie zur Bildung von Oxidhalogeniden neigen. Eine
gezielte Synthese erscheint daher schwierig.
Experimentelles
La9O4I16 wurde als Nebenprodukt bei der Umsetzung von LaI3 mit Barium-Metall, welche zur
Synthese von BaLaI4 führte, erhalten. Reaktionsführung und -bedingungen sind in Abschnitt
III.2.4 beschrieben. Bei der Begutachtung der Reaktionsprodukte fielen, neben den säulenförmig gewachsenen schwarzbläulich, metallisch glänzenden Kristallen von BaLaI4, kleine unregelmäßig geformte Kristalle von schwarzer Farbe auf, bei denen der metallische Glanz nur
schwach ausgeprägt war. Einige geeignet erscheinende Kristalle wurden in Glaskapillaren präpariert, die unter Schutzgas verschlossen wurden. Eine Überprüfung der Kristallqualität erfolgte auf röntgenographischem Wege durch Anfertigung einiger Aufnahmen auf dem IPDS.
Von dem geeignetsten Kristall wurde anschließend ein vollständiger Intensitätsdatensatz auf
dem IPDS erstellt.
Um einen Gehalt der Verbindungen an Barium auszuschließen, wurde eine EDX-Messung
durchgeführt. Das Ergebnis zeigte einen vernachlässigbar geringen Anteil an Barium in dem
gemessenen Kristall (Barium-Gehalt < 3Atom-%).
Kristallstruktur von La9O4I16
La9O4I16 kristallisiert orthorhombisch mit der Raumgruppe Fddd (Nr. 70) in einer eigenen
Kristallstruktur. Die Kristalldaten und ihre Bestimmung sind in Tab. III.3.2.2 aufgelistet. Das
dominierende strukturelle Merkmal von La9O4I16 sind Ketten trans-kantenverknüpfter [La4O]Tetraeder, die alternierend entlang der Flächendiagonalen [101] bzw. [-101] verlaufen (Abb.
III.3.2.1 und III.3.2.5). Eine ähnliche Anordnung einer anti-SiS2-analogen Kette liegt in
Na2[Pr4O2]Cl9 vor [84]. Die Tetraeder werden durch zwei kristallographisch unterschiedliche
La-Ionen (La(1) und La(2)) gebildet und sind leicht gestreckt. Diese Ketten werden durch
[LaI8]-Polyeder entlang [010] miteinander verbrückt (Abb. III.3.2.5). Dieser Polyeder mit La(3)
76
als Zentralatom hat die Form eines leicht verzerrten quadratischen Antiprismas, wodurch die
[La4O]-Tetraeder-Ketten um 45° gegeneinander verdreht sind. Die [La4O]-Tetraeder-Ketten
werden innerhalb der (001)-Ebene durch I(4)-Ionen miteinander verbrückt (Abb. III.3.2.4).
I(1) und I(2) bilden die Verbrückung zwischen den [La4O]-Tetraeder-Ketten und den [LaI8]Polyedern. I(3) befindet sich über den Lücken, die zwischen zwei Tetraedern eines Stranges
gebildet werden. Die Motive der gegenseitigen Zuordnung sind in Tab. III.3.2.1 aufgelistet.
Tab. III.3.2.1 Motive der gegenseitigen Zuordnung [85] in La9O4I16
I(1)
I(2)
I(3)
I(4)
O
C.N.
La(1)
1/1
1/1
2/2
2/2
2/2
8
La(2)
1/1
1/1
1/1
3/3
2/2
8
La(3)
4/1
4/1
-
-
-
8
C.N.
3
3
3
5
4
Ein Vergleich der [M4O]-Stränge in La9O4I16 und Na2Pr4O2Cl9 zeigt einige Unterschiede in der
Verknüpfung. Die [M4O]-Tetraeder werden in Na2Pr4O2Cl9 durch drei kristallographisch unterscheidbare Pr-Ionen aufgebaut, während in La9O4I16 nur zwei kristallographisch verschiedene La-Ionen die [M4O]-Tetraeder aufbauen. Als erstes fällt auf, dass in beiden Verbindungen
die [M4O]-trans-Ketten unterschiedlich miteinander verknüpft sind. Während in La9O4I16 die
[La4O]-Tetraederstränge nur entlang einer Richtung innerhalb der (001)-Ebene miteinander
über gemeinsame Iod-Ionen, I(4), verbrückt sind, kommt es in Na2Pr4O2Cl9 in zwei Richtungen zur Verbrückung über gemeinsame Chlorid-Ionen Cl(3) und Cl(4) (vergl. dazu Abb. III.3.2.6
und Abb. III.3.2.7). Vergleicht man die [M4O]-Tetraeder in La9O4I16 und Na2Pr4O2Cl9, so fällt
die ähnliche Koordination auf. Die Pr-Lagen Pr(1) und Pr(2) sind mit der La(2)-Lage in La9O4I16
vergleichbar und haben das gleich Koordinationsmuster, wenn man Cl(3) und Cl(5) mit I(4) in
La9O4I16 gleichsetzt. Pr(3) jedoch, welches aufgrund seiner Position im [M4O]-Tetraeder mit
La(1) vergleichbar ist, verfügt über ein zusätzliches Chlorid, Cl(4), als weiteren Liganden,
welches der weiteren Verbückung zu benachbarten [M4O]-Strängen dient (Abb. III.3.2.1 und
III.3.2.2). In beiden Verbindungen sind die Abstände der Metallionen untereinander verschieden. So ist in La9O4I16 der La(1)-La(1)- und der La(2)-La(2)-Abstand gegenüber den Abständen La(1)-La(2) sehr kurz: d[La(1)-La(1)] = 356,1 pm; d[La(2)-La(2)] = 363,3 pm; d[La(1)La(2)] = 401,4 bzw 402,9 pm. Ähnliche Verhältnisse sind in Na2Pr4O2Cl9 zu finden: d[Pr(1)Pr(2)] = 365,8 pm; d[Pr(1)-Pr(3)] = 390,5 bzw. 391,3 pm; d[Pr(2)-Pr(2)] = 391,5 bzw. 392,1
pm; d[Pr(3)-Pr(3)] = 360,2 pm [84].
77
In Na2Pr4O2Cl9 wird eine Raumfüllung der Struktur dadurch erreicht, dass die Lücken zwischen den [Pr4O]-Tetraedersträngen mit Natrium-Ionen gefüllt sind, während in La9O4I16 die
Lücken zwischen den [LaI8]-Polyedern unbesetzt bleiben.
y
z
x
La
I
O
Abb. III.3.2.1 Darstellung der Elementarzelle von La9O4I16 mit Blick entlang [101]
78
x
z
Na
Na+1
Pr
Pr+2.75
Cl
Cl-1
O
O-2
Abb. III.3.2.2 Darstellung der Elementarzelle von Na2Pr4O2Cl9 mit Blick entlang [101]
I1
I2
I2
I1
La3
I1
I2
I2
I1
Abb. III.3.2.3 Darstellung des Koordinationspolyeders um La(3) in La9O4I16
79
Tab. III.3.2.1 Kristallographische Daten und ihre Bestimmung für La9O4I16
Summenformel
La9O4I16
Molmasse [g/mol]
3428,66
Gitterkonstanten [pm]
a = 2289,3(3)
b = 4315,6(6)
c = 898,8(1)
Zellvolumen.106 [pm³]
8880(2)
Formeleinheiten pro Elementarzelle
8
Kristallsystem
orthorhombisch
Raumgruppe
Fddd (Nr. 70 )
Meßgerät
Stoe IPDS-I
Verwendete Strahlung
Mo-Ka (Graphit-Monochromator)
(l = 71,073 pm)
Meßtemperatur
293K
Scan-Modus
100 Bilder in 2°-Schritten
Meßbereich
2,90 < 2Q < 53,98
-25 < h < 25; -49 < k < 49; -10< l < 10
F(000)
1393
Absorptionskorrektur
numerisch
m[mm-1]
21,270
Zahl der gemessenen Reflexe
13401
davon symmetrieunabhängig
1766
beobachtete Reflexe [I0>2s(I)]
1498
Daten / Parameter
1766 / 68
Rint
0,0631
Strukturbestimmung
SHELXS-97 [16] und SHELXL-97 [17]
Streufaktoren
International Tables Vol. C [30]
goodness of fit
1,077
R1[I0>2s(l); alle Daten]
0,0259; 0,0338
wR2[I0>2s(l); alle Daten]
0,0642; 0,0663
80
Tab. III.3.2.3 Lageparameter und äquivalente Temperaturfaktoren Ueqa) für La9O4I16 [pm²]
a)
Lage
x/a
y/b
z/c
Ueqa)
La(1)
32h
0,27045(3)
0,03947(1)
0,27480(6)
213(2)
La(2)
32h
0,09657(3)
0,01884(1)
0,31367(6)
209(2)
La(3)
8a
0,125
0,125
0,125
248(3)
I(1)
32h
0,17000(3)
0,08518(2)
0,41725(8)
277(2)
I(2)
32h
0,01345(3)
0,08443(2)
0,25950(8)
288(2)
I(3)
32h
0,09541(3)
0,94209(2)
0,33836(7)
271(2)
I(4)
32h
0,20373(3)
0,00285(2)
0,57440(7)
264(2)
O
32h
0,1865(3)
0,0110(2)
0,1876(8)
329(2)
Ueq = 1/3(U11 + U22 + U33) [31]
Tab. III.3.2.4 Koeffizienten der anisotropen Temperaturfaktoren Uijb) für La9O4I16 [pm²]
U11
U22
U33
U23
U13
U12
La(1)
220(3)
195(3)
224(3)
5(2)
1(2)
-2(2)
La(2)
215(3)
238(3)
172(3)
-1(2)
15(2)
-4(2)
La(3)
262(7)
254(4)
230(6)
0
0
0
I(1)
309(4)
234(4)
287(4)
4(3)
15(3)
43(3)
I(2)
301(4)
259(4)
303(4)
-43(3)
8(3)
-35(3)
I(3)
256(4)
282(4)
276(4)
43(3)
5(3)
-8(3)
I(4)
210(4)
364(4)
217(3)
36(3)
2(3)
12(3)
O
310(40)
400(40)
280(40)
30(30)
-10(30)
-10(30)
b)
Der anisotrope Temperaturfaktor hat die Form: exp[-2p(h²a*2 U11 +...+ 2hka*b* U12)] [32]
81
Tab. III.3.2.5 Interatomare Abstände für La9O4I16 [pm]
Abstände [pm]
Abstände [pm]
La(1)-O
241,2(8)
La(2)-O
237,4(8)
La(1)-O'
241,5(8)
La(2)-O'
240,6(7)
La(1)-I(1)
328,91(9)
La(2)-I(1)
344,7(1)
La(1)-I(2)
330,10(9)
La(2)-I(2)
344,54(9)
La(1)-I(3)
333,1(1)
La(2)-I(3)
332,0(1)
La(1)-I(3)'
339,43(9)
La(2)-I(4)
340,3(1)
La(1)-I(4)
347,59(9)
La(2)-I(4)'
346,20(9)
La(1)-I(4)'
367,94(9)
La(2)-I(4)''
351,92(9)
La(1)-La(1)
356,1(1)
La(2)-La(2)
363,3(1)
La(1)-La(2)
401,41(9)
La(1)-La(2)'
402,93(9)
La(3)-I(1)
4x
330,37(7)
La(1)-La(2)''
409,4(1)
La(3)-I(2)
4x
332,39(7)
La-O
239,3
La(2)-I
343,3
La(1)-I
314,2
La(3)-I
331,4
82
x
z
La
I
O
Abb. III.3.2.4 Darstellung eines Ausschnitts aus dem Verbrückungsmuster zwischen zwei benachbarten
[La4O]-Tetraedersträngen. Die Verbrückung in (101) zwischen den Strängen erfolgt ausschließlich durch
gemeinsame I(4)-Ionen
y
z
x
Abb. III.3.2.5 Darstellung der Verbrückung zweier [La4O]-Tetraederstränge entlang [010] über eine
[La(3)I8]-Polyeder-Einheit
83
I1
I3
I2
I3
I4
I4
I1
LA1
I4
LA2
I4
LA2
LA2
I2
I4
I4
LA2 I4
I4
I4
LA1
I1
I2
I2
I3
I4
I3
I1
Abb. III.3.2.6 Darstellung zweier kantenverknüpfter [La4O]-Tetraeder in La9O4I16 mit koordinierenden
Iodid-Ionen. Die Sauerstoff-Ionen innerhalb der Tetraeder sind der Übersichtlichkeit wegen weggelassen
Cl4
Cl4
Cl1
Cl2
Cl5
Cl5
Cl3
Pr2
Cl4
Cl6
Pr1
Pr2
Cl3 Cl5
Cl5
Cl3
Cl6
Cl4
Cl3
Cl5
Pr1
Cl6
Pr3
Cl6
Pr3
Cl5
Cl2
Cl1
Cl4
Cl4
Abb. III.3.2.7 Darstellung zweier kantenverknüpfter [Pr4O]-Tetraeder in Na2Pr4O2Cl9 mit koordinierenden Chlorid-Ionen. Die Sauerstoff-Ionen innerhalb der Tetraeder sind der Übersichtlichkeit wegen weggelassen
84
III.3.3 Erste Versuche zur Reduktion von Selten-ErdTribromiden mit Barium: La4OBr7
Allgemeines
Clusterverbindungen der Selten-Erd-Elemente mit Brom sind weitaus seltener beschrieben
worden, als Verbindungen mit Iod, mit denen ein reichhaltiges Spektrum bekannt ist. Gemeinsam ist diesen Verbindungen, dass interstitielle Atome zur Stabilität der Cluster beitragen.
Von Simon und Mitarbeitern wurden gezielt Verbindungen untersucht, die als dritte Komponente Elemente der zweiten Periode, wie z.B. Bor, Kohlenstoff oder auch Stickstoff, enthalten. Als Beispiele mögen hier La2C2Br2 [77], La4X5B4 (X = Br, I) [74] oder auch Ce15N7I24 [75]
aufgeführt sein, die sowohl interessante strukturelle als auch elektronische Eigenschafften
besitzen. Über Cluster mit interstitiellem Sauerstoff ist bislang wenig bekannt. Corbett und
Mitarbeiter haben sich in den vergangenen Jahren der Synthese von Clusterverbindungen der
Elemente Lanthan, Cer, Praseodym und Gadolinium verschrieben, die Übergangsmetalle, vorwiegend Edelmetalle, als interstitielles Atom innerhalb der Metallcluster enthalten (siehe
Abschnitt III.3.1). Allerdings ist mit Eu4OBr6 ein Oxidhalogenid bekannt [86], in dem [Eu4O]Tetraeder vorliegen, die jedoch nur aufgrund ihrer räumlichen Anordnung als Cluster bezeichnet werden können. Aktive Wechselwirkung von Elektronen der Metall-Ionen sind nicht möglich, da sich keine Elektronen in d-Zuständen befinden.
Experimentelles
Schwarze Einkristalle von La4OBr7 wurden bei dem Versuch erhalten, eine Verbindung der
Zusammensetzung BaLaBr4 darzustellen. Dazu wurden LaBr3 und Barium-Metall im molaren
Verhältnis 2:1 in eine Tantalampulle eingewogen, die im Lichtbogenschweißer verschlossen
und anschließend mit einem evakuierten Kieselglasmantel umgeben wurde. Die Edukte wurden in einem Röhrenofen bei 850°C zur Schmelze gebracht. Diese Temperatur wurde zur
Umsetzung für zehn Stunden beibehalten, bevor die Temperatur mit 1°C/h auf 400°C abgesenkt wurde. Auf Raumtemperatur wurde der Reaktionsansatz schließlich mit 10°C/h abgekühlt.
Bei der Begutachtung der Reaktionsprodukte fielen lediglich nur wenige kleine schwarze Kristalle auf, wohingegen das Hauptprodukt unumgesetztes LaBr3 bzw. wenig BaBr2 darstellten.
Von den schwarzen Kristallen wurden geeignet erscheinende Exemplare in Glaskapillaren eingebracht, die zum Schutz vor Oxidation abgeschmolzen wurden. Nach Überprüfung der Kristallqualität mit Hilfe des IPDS wurden von dem geeignetsten Kristall ein vollständiger Intensitätsdatensatz erstellt.
85
Kristallstruktur
La4OBr7 kristallisiert orthorhombisch mit der Raumgruppe Pnma (Nr. 62). In der Kristallstruktur liegen analog zu dem hexagonal kristallisierenden Eu4OBr6 und isotypen Oxidchloriden
der Elemente Ca, Sr, Ba Sm, Eu und Yb [86], isolierte [M4]-Tetraeder vor, in deren Zentrum
sich interstitiell gebundener Sauerstoff befindet. Während in Eu4OBr6 der [Eu4]-Tetraeder nur
leicht von der Idealform, bedingt durch den Aufbau aus nur zwei kristallographisch unterscheidbaren Europium-Lagen (1x Eu(1) und 3x Eu(2)), abweicht, ist der [La4]-Tetraeder in
La4OBr7 stärker verzerrt. Im [La4]-Tetraeder von La4OBr7 finden sich drei kristallographisch
zu unterscheidene Lagen für die Lanthan-Ionen. Dabei treten zwischen den vier Lanthan-Ionen
zwei kurze (Abstände La(1)-La(1): 375,92 pm und La(2)-La(3): 372,55 pm) und zwei deutlich längere (Abstände La(1)-La(2): 396,54 pm und La(1)-La(3): 396,98 pm) Lanthan-Lanthan-Abstände auf. Das O2--Ion innerhalb des Tetraeders ist leicht aus dem geometrischen
Zentrum ausgelenkt. Dabei ist der Abstand La(2)-O mit 244,1 pm wiederum deutlich größer
als die Abstände La(1)-O (236,9 pm) und La(3)-O (236,2 pm) (Tab. III.3.3.5).
Jedes Lanthan-Ion des [La4O]-Tetraeders ist siebenfach von Bromid-Ionen koordiniert. Insgesamt umgeben 19 Bromid-Ionen den [La4O]-Tetraeder (Abb. III.3.3.2), wobei sieben BromidIonen zur inneren und zwölf zur äußeren Koordinationssphäre der Tetraeder-Einheit gezählt
werden müssen. Zur inneren Koordinationssphäre gehören zwei Br(4)-Ionen, die als m3-BrLiganden über die durch La(1)-La(2)-La(3) aufgespannten Dreiecksflächen positioniert sind,
sowie fünf m2-Br-Liganden, die sich über den Kanten des [La4O]-Tetraeders befinden: Ein
Br(3)-Ion, sowie jeweils zwei Br(1)- und Br(2)-Ionen befindet sich als m2-Br-Liganden über
den Tetraederkanten. In Abb. III.3.3.7 ist die innere Koordination der [La4O]-Tetraeder dargestellt. Alle Bromid-Ionen in der Kristallstruktur von La4OBr7 tragen zur dreidimensionalen
Verknüpfung der [La4O]-Tetraeder bei. Dabei werden jedoch verschiedene Verbrückungsmuster
ausgebildet: Br(1) ist dreifach von Lanthan-Ionen in Form einer verzerrten trigonalen Pyramide koordiniert, wobei Br(1) die Spitze dieser Pyramide bildet. Die Lanthan-Ionen gehören
zu zwei verschiedenen [La4O]-Tetraedern (Abb. III.3.3.3). Br(2) und Br(3) sind jeweils vierfach, stark verzerrt tetraedrisch von Lanthan-Ionen koordiniert (Abb. Abb. III.3.3.4 und Abb.
III.3.3.5) und wirken verknüpfend zwischen drei [La4O]-Einheiten. Br(1), Br(2) und Br(3) wirken dabei bei jeweils einem [La4O]-Tetraeder als m2-Br-Ligand. Br(4) ist hingegen unregelmäßig fünffach von Lanthan koordiniert (Abb. Abb. III.3.3.6), verknüpft aber ebenfalls, wie
Br(2) und Br(3), drei benachbarte [La4O]-Tetraeder-Einheiten, wobei es bei einer TetraederEinheit als m3-Br-Ligand wirkt.
Obwohl die Lanthan-Atome z.T. stark aufeinander zugerückt sind und die interatomaren Abstände La(1)-La(1) und La(2)-La(3) mit 375,9 pm bzw. 372,6 pm deutlich kürzer sind als in
86
binären Lanthanhalogeniden wie LaI, LaI2 oder LaI3 (vgl. hierzu auch Tab. III.2.4.1), kann bei
La4OBr7 nicht von einer klassischen Cluster-Verbindung ausgegangen werden. Der Begriff
Cluster kann bei La4OBr7 lediglich auf die räumliche Anordnung der Metallatome bezogen
werden, da für „echte“ Metall-Metall-Bindungen nicht genug Elektronen zur Verfügung stehen. Ausgehend von dreiwertigem Lanthan stehen gemäß [(La3+)4(e-)3(O2-)(Br-)7] nur drei Elektronen für Metall-Metall-Bindungen zur Verfügung, was einem halben Elektron pro Tetraederkante und somit relativ schwachen La-La-Bindungen entsprechen würde. Vermutungen liegen
nahe, dass die Lanthan-Ionen aufgrund der, im Vergleich zu den Lanthan-Bromid-Abständen,
kürzeren Abstände zum interstitiellen O2--Ion aufeinanderzurücken. Wechselwirkungen zwischen den überschüssigen Elektronen finden daher verstärkt zwischen La(1)-La(1) und zwischen La(2)-La(3) statt, während zwischen La(1)-La(2) bzw. La(1)-La(3) nur schwache Wechselwirkungen zu finden sind.
Vergleicht man die Strukturen von Eu4OBr6 und La4OBr7 miteinander, so fällt bei beiden Verbindungen das Vorhandensein einer isolierten [M4O]-Einheit auf. Beiden [M4O]-Einheiten ist
auch eine ähnlich Koordination durch die Bromid-Ionen gemeinsam (Abb III.3.3.7 und III.3.3.8).
Während jedoch in La4OBr7 alle Lanthan-Ionen siebenfach durch Bromid koordiniert sind,
wird das Eu(1)-Ion in Eu4OBr6 von neun, die Eu(2)-Ionen von sieben Bromid-Ionen umgeben.
Es kommt zu einer engeren Verknüpfung der [M4O]-Einheiten in Eu4OBr6. Jede [M4O]-Einheit in Eu4OBr6 wird durch ihre Bromid-Liganden mit vierzehn weiteren [M4O]-Einheiten verbrückt, während in La4OBr7 nur zwölf weitere [M4O]-Einheiten erreicht werden. Die Motive
der gegenseitigen Zuordnung in La4OBr7 sind in Tab. III.3.3.1 angegeben.
Tab. III.3.3.1 Motive der gegenseitigen Zuordnung [85] in La4OBr7
Br1)
Br(2)
Br(3)
Br(4)
O
C.N.
La(1)
1/1
2/2
1/2
3/3
1/2
8
La(2)
2/1
2/1
1/1
2/1
1/1
8
La(3)
2/1
2/1
1/1
2/1
1/1
8
C.N.
3
4
4
5
4
87
Tab. III.3.3.1 Kristallographische Daten und ihre Bestimmung für La4OBr7
Summenformel
La4OBr7
Molmasse [g/mol]
1130,94
Gitterkonstanten [pm]
a = 1212,4(1)
b = 1404,8(2)
c = 804,7(1)
Zellvolumen.106 [pm³]
1370,5(3)
Formeleinheiten pro Elementarzelle
4
Kristallsystem
orthorhombisch
Raumgruppe
Pnma (Nr. 62)
Meßgerät
Stoe IPDS-I
Verwendete Strahlung
Mo-Ka (Graphit-Monochromator)
(l = 71,073 pm)
Meßtemperatur
293K
Scan-Modus
100 Bilder in 2°-Schritten
Meßbereich
2,90 < 2Q < 53,98
-13 < h < 13; -17 < k < 17; -10< l < 10
F(000)
481
Absorptionskorrektur
numerisch
m[mm-1]
32,582
Zahl der gemessenen Reflexe
11126
davon symmetrieunabhängig
1370
beobachtete Reflexe [I0>2s(I)]
1112
Daten / Parameter
1370 / 62
Rint
0,0732
Strukturbestimmung
SHELXS-97 [16] und SHELXL-97 [17]
Streufaktoren
International Tables Vol. C [30]
goodness of fit
1,057
R1[I0>2s(l); alle Daten]
0,0278; 0,0373
wR2[I0>2s(l); alle Daten]
0,0632; 0,0657
88
Tab. III.3.3.3 Lageparameter und äquivalente Temperaturfaktoren Ueqa) für La4OBr7 [pm²]
a)
Lage
x/a
y/b
z/c
Ueqa)
La(1)
8d
0,33996(4)
0,11620(3)
0,88193(6)
168(1)
La(2)
4c
0,16648(6)
0,25
0,53558(8)
154(2)
La(3)
4c
0,55732(6)
0,25
0,53164(8)
167(2)
Br(1)
8d
0,36847(7)
0,11232(5)
0,5137(1)
189(2)
Br(2)
8d
0,67166(8)
0,38998(6)
0,3036(1)
206(2)
Br(3)
4c
0,4398(1)
0,25
0,1452(1)
199(3)
Br(4)
8d
0,08996(8)
0,05244(6)
0,6623(1)
231(2)
O
4c
0,7272(8)
0,25
0,675(1)
290(20)
Ueq = 1/3(U11 + U22 + U33) [31]
Tab. III.3.3.4 Koeffizienten der anisotropen Temperaturfaktoren Uijb) für La4OBr7 [pm²]
U11
U22
U33
U23
U13
U12
La(1)
178(3)
174(2)
151(2)
10(2)
5(2)
24(2)
La(2)
163(4)
167(3)
133(3)
0
-16(2)
0
La(3)
139(4)
207(3)
157(3)
0
1(2)
0
Br(1)
201(5)
202(4)
164(4)
-5(3)
9(3)
-4(3)
Br(2)
225(5)
196(4)
198(4)
8(3)
11(3)
-22(3)
Br(3)
168(7)
271(6)
159(5)
0
-6(4)
0
Br(4)
197(5)
203(4)
293(5)
37(3)
23(3)
5(3)
O
90(50)
530(60)
240(4)
0
30(30)
0
b)
Der anisotrope Temperaturfaktor hat die Form: exp[-2p(h²a*2 U11 +...+ 2hka*b* U12)] [32]
89
Tab. III.3.3.5 Interatomare Abstände in La4OBr7
Abstände [pm]
Abstände [pm]
La(1)-O
236,9(6)
La(2)-O
244,1(9)
La(1)-Br(1)
298,4(1)
La(2)-Br(1)
2x
312,6(1)
La(1)-Br(2)
325,2(1)
La(2)-Br(2)
2x
336,5(1)
La(1)-Br(2)'
351,4(1)
La(2)-Br(3)
La(1)-Br(3)
308,0(1)
La(2)-Br(4)
La(1)-Br(4)
318,0(1)
La(1)-Br(4)'
338,0(1)
310,9(1)
2x
La(3)-O
309,87(9)
236(1)
La(3)-Br(1)
2x
300,1(1)
2x
302,6(1)
La(1)-La(1)
375,9(1)
La(3)-Br(2)
La(1)-La(2)
396,54(8)
La(3)-Br(3)
342,0(1)
La(1)-La(3)
396,98(8)
La(2)-La(3)
372,6(1)
La(1)-Br
323,2
La(2)-Br
318,4
La(3)-Br
309,5
La-O
238,5
90
y
x
Br
La
O
Abb. III.3.3.1 Darstellung der Elementarzelle von La4OBr7. Die [La4O]-Tetraeder sind orange hervorgehoben
Abb. III.3.3.2 [La4O]-Tetraeder mit allen koordinierenden Bromid-Ionen
91
y
x
z
La2
Br1
La3
La1
Abb. III.3.3.3 Koordinationssphäre von Br(1)
x
y
La2
La3
Br2
La1
La1
Abb. III.3.3.4 Koordinationssphäre von Br(2)
z
92
x
y
z
La1
La2
La1
Br3
La3
Abb. III.3.3.5 Koordinationssphäre von Br(3)
x
La1
La1
Br4
La2
La1
La3
Abb. III.3.3.6 Koordinationssphäre von Br(4)
y
z
93
Br4
Br1
La2
Br1
Br4
La1
La3
La1
Br2
Br3
Br2
Abb. III.3.3.7 Darstellung des [La4O]-Tetraeders in La4OBr7 mit Bromid-Ionen der inneren Koordinationssphäre. Br(1), Br(2) und Br(3) stellen µ2-Liganden dar, während Br(4) einen µ3-Liganden darstellt
Br2
Br2
Br2
Eu2
Eu2
Eu2
Br2
Br2
Br2
Br1
Eu1
Br1
Br1
Abb. III.3.3.8 Darstellung des [Eu4O]-Tetraeders in Eu4OBr6 mit Bromid-Ionen der inneren Koordinationssphäre. µ2-Liganden µ3-Liganden sind farblich verschieden dargestellt
94
IV. Zusammenfassung und Ausblick
Ziel der vorliegenden Arbeit war in erster Linie die Synthese neuer ternärer Selten-Erd-Iodide
mit den Erdalkalielementen Strontium und Barium, in denen dem Selten-Erd-Element eine
Oxidationsstufe kleiner drei zukommt. Des weiteren erfolgten Untersuchungen in den Systemen Dy / DyI3 und Pr / PrI3 mit dem Ziel, neue Kenntnisse zur Synthese phasenreiner Proben
von DyI2 und der verschiedenen Modifikationen von PrI2 zu erhalten.
Die Kristallstruktur von DyI2 konnte erstmals anhand von Einkristalldaten gelöst werden. Vorhergehende Untersuchungen von Bärnighausen und Warkentin an Pulverproben [29] werden
durch die eigenen Arbeiten bestätigt, wonach DyI2 hexagonal in der Raumgruppe R3m (Nr.
166) in der CdCl2-Struktur kristallisiert. Schön gewachsene, schwarzviolette Kristalle von
plättchenförmigem Habitus konnten durch Umsetzung von Dy-Metall mit DyI3 im Verhältnis
2,3:1 durch Aufschmelzen bei 1000°C und dreiwöchigem Tempern bei 800°C erhalten werden. Eine gute Trennung der DyI2-Kristalle von unumgesetzten und überschüssigen Edukten
kann erreicht werden, in dem das Reaktionsgefäß hochkant in einen stehenden Röhrenofen
eingebracht wird.
y
Summenformel
DyI2
Raumgruppe
R3m (Nr 166)
Kristallsystem
hexagonal
Gitterkonstanten
a = 462,10(9) pm
c = 2090,5(7) pm
V = 386,6(2) . 106 pm³
x
z
Zellvolumen
Dy
I
Formeleinheiten pro
Elementarzelle
Z=3
Rint
0,2362
R1; wR2[I0>2s(I)]
0,0509; 0,1079
Im System Pr / PrI3 sollten Untersuchungen erfolgen, die die Abhängigkeit des Auftretens
einer der fünf Modifikationen von PrI2 von den Reaktionsbedingungen aufklären. Bei Umsetzungen, in denen die Edukte Pr-Metall und PrI3 im Verhältnis 1,44:1 vorlagen, wurden als
Reaktionsprodukte immer die Modifikationen IV und V gefunden. Deren Mengenverhältnis
95
zueinander war dabei bestimmt durch die Abkühlrate nach der Umsetzung durch Aufschmelzen
und dreiwöchigem Tempern bei 740°C. Wurde das Reaktionsgemisch langsam mit 1°C/h von
700°C bis ca. 400°C abgekühlt (danach 10°C bis Raumtemperatur), wurden in der überwiegenden Mehrheit Kristalle vom PrI2-V gefunden. Wurde jedoch das Reaktionsgemenge schlagartig auf Raumtemperatur abgekühlt, so wurden mehrheitlich Kristalle der Modifikation IV
erhalten. Diese Kristalle waren jedoch durchweg dadurch gekennzeichnet, dass ihnen die Verwachsung verschiedener Individuen anhaftete. Eine zufriedenstellende Lösung der Kristallstruktur gelang dabei nicht, da immer eine hohe Restelektronendichte auf der Lage 3a zu
finden war. Als mögliche Erklärung kann eine kinetisch gehemmte Umwandlung der Modifikation IV in die thermodynamisch stabilere Modifikation V angenommen werden.
Summenformel
PrI2-V
Raumgruppe
F43m (Nr. 216)
Kristallsystem
kubisch
Gitterkonstanten
Zellvolumen
a = 1239,9(2) pm
V = 1906,0(4) . 106 pm³
Formeleinheiten pro
Elementarzelle
Z = 16
Rint
0,0424
R1; wR2[I0>2s(I)]
0,0196; 0,0431
Summenformel
PrI2-IV
Raumgruppe
R3m (Nr. 166)
Kristallsystem
hexagonal
Gitterkonstanten
a = 426,5(1) pm
c = 2247,1(8) pm
V = 353,9(2) . 106 pm³
y
z
x
Pr
I
y
x
z
Zellvolumen
Pr
I
Formeleinheiten pro
Elementarzelle
Z=3
Rint
0,1360
R1; wR2[I0>2s(I)]
0,0808; 0,2140
96
Das Hauptanliegen dieser Arbeit bestand in der Synthese neuer ternärer Selten-Erd-Iodide
mit Erdalkalimetallen. Die Umsetzung erfolgt durch Reduktion der Selten-Erd-Triiodide mit
elementarem Strontium oder Barium unter den in Tab. IV.1 angegebenen Bedingungen. Dabei
konnten neben schon bekannten neue Verbindungen synthetisiert werden. In einigen Systemen
erfolgte keine Umsetzung unter den gewählten Bedingungen.
Tab. IV.1 Übersicht über die erfolgten Umsetzungen in den Systemen B / MI3
MI3
B
Bedingungen
Ergebnis
Sr
1050°C (10h), 1°C/h auf 400°C, 10°C/h auf RT
Sc0.87I2
Ba
1000°C (10h), 1°C/h auf 400°C, 10°C/h auf RT
?
Sr
850°C (10h), 1°C/h auf 400°C, 10°C/h auf RT
SrLaI4, LaI2
Ba
800°C (10h), 1°C/h auf 400°C, 10°C/h auf RT
BaLaI4
Sr
800°C (10h), 1°C/h auf 400°C, 10°C/h auf RT
?
Ba
800°C (10h), 1°C/h auf 400°C, 10°C/h auf RT
?
Sr
850°C (10h), 1°C/h auf 400°C, 10°C/h auf RT
Pr2I5
Ba
780°C (10h), 1°C/h auf 400°C, 10°C/h auf RT
Ba6Pr3I19
Sr
800°C (10h), 1°C/h auf 400°C, 10°C/h auf RT
Mischkristalle
(Sr,Nd)I2
Ba
800°C (10h), 1°C/h auf 400°C, 10°C/h auf RT
BaI2, NdI2?
Sr
1050°C (10h), 1°C/h auf 400°C, 10°C/h auf RT
?
Ba
1050°C (10h), 1°C/h auf 400°C, 10°C/h auf RT
?
ScI3
LaI3
CeI3
PrI3
NdI3
GdI3
97
Verbindungen in den Systemen B / MI 3 (B = Sr, Ba; M = La, Pr, Nd und Sc)
In den Systemen Sr / LaI3 und Ba / LaI3 konnten mit SrLaI4 und BaLaI4 die ersten ternären
Selten-Erd-Iodide mit einem Erdalkalikation dargestellt werden. SrLaI4 und BaLaI4 kristallisieren isotyp in der monoklinen Raumgruppe I2/a (Nr. 15). In der Kristallstruktur liegen unendliche Stränge flächenverknüpfter quadratischer [LaI8]-Antiprismen vor, die entlang der
a-Richtung ausgerichtet sind. Die Erdalkali-Ionen sind ebenfalls quadratisch-antiprismatisch
von Iodid koordiniert und bilden die Verbrückung zwischen den Strängen der [LaI8]-Polyeder.
Lanthan gehört zu den Selten-Erd-Elementen, die einen reduzierten Zustand dadurch erreichen, dass sie f-Elektronen in 5d-Zustände promovieren. Dadurch läßt sich erklären, dass die
Positionen von Lanthan- und Erdalkaliion in SrLaI4 und BaLaI4 ausgeordnet sind. Es sollte
hier zu positiven Wechselwirkungen der Elektronen im untersten besetzten 5d-Zustand benachbarter Lanthan-Ionen kommen, die in vergleichsweise kurzen La-La-Abständen resultieren. Der Lanthan-Lanthan-Abstand beträgt 371,16(5) pm in SrLaI4 und 370,71(5) pm in BaLaI4
und ist damit deutlich kürzer als in LaI2 und LaI.
y
z
Summenformel
BaLaI4 / SrLaI4
Raumgruppe
I2/a (Nr. 15)
Kristallsystem
monoklin
Gitterkonstanten
a = 741,4(1) pm
a = 742,3(1) pm
b = 1504,0(2) pm
b = 1485,2(3) pm
c = 896,8(1) pm
c = 862,3(1) pm
b = 102,28(2) °
b = 101,07(2) °
V = 977,1(2) . 106 pm³
V = 933,0(2) . 106 pm³
Zellvolumen
Ba
La
I
Formeleinheiten pro
Elementarzelle
Z=4
Rint
0,0379 / 0,0620
R1; wR2[I0>2s(I)]
0,0262; 0,0614
0,0283; 0,0685
98
Neben SrLaI4 wurde auch LaI2 im System Sr / LaI3 bei gleichen Bedingungen erhalten, von
dem erstmals die Kristallstruktur anhand einer Einkristallmessung aufgeklärt werden konnte.
LaI2 kristallisiert im CuTi2-Typ, in dem Schichten von zweidimensional flächenverknüpften
[LaI8]-Polyedern in Würfelform vorliegen. Die würfelförmigen [LaI8]-Polyeder sind entlang
[001] gestaucht.
Summenformel
LaI2
Raumgruppe
I4/mmm (Nr. 139)
Kristallsystem
tetragonal
Gitterkonstanten
a = 393,6(1) pm
c = 1400,2(7) pm
V = 216,9(1) . 106 pm³
x
z
Zellvolumen
La
Formeleinheiten pro
Elementarzelle
Z=2
Rint
0,2041
R1; wR2[I0>2s(I)]
0,0555; 0,12,89
I
Kristalle von Ba6Pr3I19 konnten durch Umsetzung von Barium-Metall und PrI3 im Verhältnis
1:2 erhalten werden. Die Kristalle ändern ihr farbliches Erscheinungsbild je nach Orientierung zum auftreffenden Licht von schwarz-metallisch zu violett-metallisch glänzend.
In der Kristallstruktur Ba6Pr3I19 liegen, ähnlich wie bei BaLaI4 und SrLaI4, Stränge von flächenverknüpften [PrI8]-Polyedern vor, in denen das Praseodym-Ion quadratisch-antiprismatisch
von Iodid umgeben ist. Die Stränge sind jedoch nach jedem dritten [PrI8]-Polyeder durch eine
leicht verzerrte, würfelförmige Lücke unterbrochen. Die Barium-Ionen wirken verbrückend
zwischen den [PrI8]-Polyedersträngen und sind in Form unregelmäßiger Polyeder von Iodid
umgeben. Für Ba6Pr3I19 müssen ähnliche elektronische Verhältnisse aufgrund der analogen
Umgebung des Selten-Erd-Kations angenommen werden, wie sie auch für BaLaI4 bzw. SrLaI4
diskutiert wurden.
99
y
Summenformel
Ba6Pr3I19
Raumgruppe
C2/c (Nr. 15)
Kristallsystem
monoklin
Gitterkonstanten
a = 1606,2(2) pm
b = 1257,1(2) pm
c = 2263,2(3) pm
b = 95,09(1) °
V = 4551,8(9) . 106 pm³
x
z
Zellvolumen
Ba
Pr
Formeleinheiten pro
Elementarzelle
Z=4
Rint
0,0881
R1; wR2[I0>2s(I)]
0,0747; 0,1876
I
Bei der Reduktion von NdI3 mit Strontium wurde wie erwartet Mischkristallbildung beobachtet. Der untersuchte Kristall wies die Zusammensetzung Sr0,41Nd0,59I2 auf und kristallisiert in
der Raumgruppe Pbca im SrI2-Typ.
z
y
x
Summenformel
Sr0,41Nd059I2
Raumgruppe
Pbca (Nr. 61)
Kristallsystem
orthorhombisch
Gitterkonstanten
a = 1527,3(1) pm
b = 830,44(8) pm
c = 791,7(2) pm
V = 1004,2(2) . 106 pm³
Zellvolumen
NdSr
I
Formeleinheiten pro
Elementarzelle
Z=8
Rint
0,0604
R1; wR2[I0>2s(I)]
0,0242; 0,0514
100
Bei der Reduktion von PrI3 mit Strontium-Metall wurden schwarze, metallisch glänzende Kristalle der Zusammensetzung Pr2I5 (= (Pr3+)2(e-)(I-)5) erhalten. In der Kristallstruktur liegen
Doppelstränge von Praseodym-Ionen vor, zwischen denen in dreieckförmigen Freiräumen das
überschüssige Elektron seine größte Aufenthaltswahrscheinlichkeit hat.
x
z
Pr
I
Summenformel
Pr2I5
Raumgruppe
P21/m (Nr. 11)
Kristallsystem
monoklin
Gitterkonstanten
a = 869,2(3) pm
b = 432,46(7) pm
c = 1447,6(4) pm
b = 90,64(4) °
Zellvolumen
V = 543,5(2) . 106 pm³
Formeleinheiten pro
Elementarzelle
Z=2
Rint
0,1219
R1; wR2[I0>2s(I)]
0,0363; 0,0717
Bei der Reduktion von ScI3 mit elementarem Strontium wurden Kristalle von „ScI2“ gefunden.
Vergleichbar mit Arbeiten von Corbett et al. wurde hier auch eine Unterbesetzung der ScLage gefunden [63]. Die Rechnungen ergaben, dass die Sc-Lage nur zu 87% mit Scandium
besetzt ist. Der Verbindung kommt also die Zusammensetzung Sc0,87I2 zu. Die Kristalle sind
von schwarzer Farbe und zeigen metallischen Glanz. Deutlich zu erkennen ist die Schichtstruktur schon bei der Begutachtung der Kristalle mit Hilfe des Mikroskops. Größere Einheiten der Kristalle sind schichtartig in Terrassenform gewachsen.
101
y
Summenformel
Sc0,87I2
Raumgruppe
P3m1 (Nr. 164)
Kristallsystem
hexagonal
Gitterkonstanten
a = 410,2(1) pm
c = 696,2(2) pm
V = 101,4(4) . 106 pm³
x
z
Zellvolumen
Sc
I
Formeleinheiten pro
Elementarzelle
Z=3
Rint
0,1885
R1; wR2[I0>2s(I)]
0,0489; 0,1038
Verbindungen mit [La4O]-Tetraedern
Als Nebenprodukt wurden wenige Kristalle der Zusammensetzung La9O4I16 bei der Umsetzung von LaI3 mit Barium-Metall erhalten. Als mögliche Sauerstoffquellen sind die Edukte
oder das Ampullenmaterial in Betracht zu ziehen.
In La9O4I16 liegen Stränge trans-kantenverknüpfter [La4O]-Tetraeder vor, die entlang [101] verlaufen und über gemeinsame Iodid-Ionen (I(4)) zu Schichten verbrückt sind. Entlang [010]
sind diese Stränge über isolierte [LaI8]-Polyeder, welche die Form eines quadratischen
Antiprismas besitzen, verbrückt. Die [La4O]-Tetraeder werden durch zwei kristallographisch
verschiedene Lanthan-Ionen aufgebaut, wobei sehr kurz Lanthan-Lanthan-Abstände zwischen
gleichen Lanthan-Ionen auftreten (Abstand: La(1)-La(1) = 356,1(1) pm; La(2)-La(2) =
363,3(1) pm).
y
z
Summenformel
La9O4I16
Raumgruppe
Fddd (Nr. 70)
Kristallsystem
orthorhombisch
Gitterkonstanten
a = 2289,3(3) pm
b = 4315,6(6) pm
c = 898,8(1) pm
V = 8880(2) . 106 pm³
x
Zellvolumen
La
I
O
Formeleinheiten pro
Elementarzelle
Z=8
Rint
0,0631
R1; wR2[I0>2s(I)]
0,0259; 0,0642
102
Bei ersten Versuchen zur Synthese von BaLaBr4 durch Reduktion von LaBr3 mit Barium-Metall wurde die gewünschte Verbindung nicht erhalten. Schwarze Kristalle, die im Reaktionsansatz gefunden wurden, stellten sich als La4OBr7 heraus. In La4OBr7 liegen isolierte [La4O]Einheiten mit drei kristallographisch unterscheidbaren Lanthan-Ionen in gestreckter Tetraederform vor, wobei zwei kurze Lanthan-Lanthan-Abstände enthalten sind (Abstand: La(1)-La(1)
= 375,9(1) pm; La(2)-La(3) = 372,6(1) pm). Die [La4O]-Einheit ist von 19 Bromid-Ionen
umgeben, wobei fünf zur inneren und zwölf zur äußeren Koordinationssphäre zu zählen sind.
y
x
Summenformel
La4OBr7
Raumgruppe
Pnma (Nr. 62)
Kristallsystem
orthorhombisch
Gitterkonstanten
a = 1212,4(1) pm
b = 1404,8(2) pm
c = 804,7(7) pm
V = 1370,5(3) . 106 pm³
Zellvolumen
Br
La
O
Formeleinheiten pro
Elementarzelle
Z=4
Rint
0,0732
R1; wR2[I0>2s(I)]
0,0278; 0,0632
Aus den Ergebnissen der vorliegenden Arbeit lassen sich mehrere Ziele für zukünftige Arbeiten auf dem Gebiet der ternären Selten-Erd-Iodide mit Erdalkaliionen ableiten. Zum einen
müssen SrLaI4, BaLaI4 und Ba6Pr3I19 phasenrein dargestellt werden, damit u.a. Leitfähigkeitsmessungen Klarheit über die elektronischen Verhältnisse dieser Verbindungen liefern. Dies
kann über zwei mögliche Wege erfolgen: Durch Umsetzung von Triiodiden der Selten-ErdElemente mit dem gewünschten Erdalkalimetall, oder möglicherweise durch Umsatz des
Erdalkaliiodids mit dem vorher in einem separaten Schritt hergestellten Selten-Erd-Diiodid.
Letzteres muss erst in einigen Vorversuchen geklärt werden. Parallel dazu sollten Berechnungen der Bandstruktur dieser Verbindungen die gewonnenen praktischen Erkenntnisse theoretisch untermauern. Zum anderen lassen die Untersuchungen dieser Arbeit nur erahnen, dass
ein breites Spektrum neuer Phasen durch Umsetzung von Erdalkalimetallen mit Selten-ErdIodiden erhältlich ist. So sind z.B. auch Verbindungen der Zusammensetzung B2MI6, BM2I6
o.ä. (B = Sr, Ba; M = La, Ce, Pr, Gd), sowie gemischtvalente Zusammensetzungen denkbar.
Die Synthese von SrCeI4 und BaCeI4 kann dabei nur ein erstes Ziel sein. Weitere Versuche zur
Reduktion von Selten-Erd-Triiodiden sollten auch mit Calcium erfolgen, um zu sehen, wel-
103
chen strukturellen Einfluss die Größe des Erdalalkalikations hat.
Desweiteren fehlen immer noch Arbeiten zur Synthese von ternären Selten-Erd-Iodiden mit
Erdalkaliionen, in denen das Selten-Erd-Ion dreiwertig ist. Arbeiten von Masselmann [46]
und Wickleder et al.[47] waren auf dem Gebiet der Chloride richtungweisend und lassen auch
für die Iodide einigen Erfolg erhoffen.
Auch scheint es lohnenswert, Verbindungen wie La9O4I16 oder La4OBr7 in größerer Menge
phasenrein darzustellen, um auch an diesen Verbindungen physikalische Messungen durchzuführen, die Aufklärung über elektronische Verhältnisse in deren Strukturen liefern.
Die Chemie der Selten-Erd-Halogenide bleibt eine Spielwiese für Chemiker.
104
V. Literaturverzeichnis
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[82] M.W. Payne, M. Ebihara, J.D. Corbett: Angew. Chem. 103 (1991) 842.
[83] S.J. Steinwand, J.D. Corbett: Inorg. Chem. 35 (1996) 7056.
[84] H. Mattfeld, G. Meyer: Z. anorg. allg. Chem. 620 (1994) 85.
[85] R. Hoppe: Angew. Chem. 92 (1980) 106.
[86] Th. Schleid: Dissertation, Universität Gießen, 1988.
107
108
Erklärung
Ich versichere, dass ich die von mir vorgelegte Dissertation selbständig angefertigt, die benutzten Quellen und Hilfsmittel vollständig angegeben und die Stellen der Arbeit - einschließlich Tabellen, Karten und Abbildungen -, die anderen Werken im Wortlaut oder dem Sinn nach
entnommen sind, in jedem Einzelfall als Entlehnung kenntlich gemacht habe; dass diese Dissertation noch keiner anderen Fakultät oder Universität zur Prüfung vorgelegen hat; dass sie abgesehen von unten angegebenen Teilpublikationen - noch nicht veröffentlicht worden ist
sowie, dass ich eine solche Veröffentlichung vor Abschluß des Promotionsverfahrens nicht
vornehmen werde.
Die Bestimmungen der Promotionsordnung sind mir bekannt. Die von mir vorgelegte Dissertation ist von Prof. Dr. G. Meyer betreut worden.
Köln, April 2002
Zur Wahrung der Priorität wurden Teile dieser Arbeit bereits publiziert:
N. Gerlitzki, G. Meyer: Action of Alkaline Earth Metals on Lanthanum Triiodide: Unusually
Short La-La Distances in SrLaI4 and BaLaI4, Z. anorg. allg. Chem. 628 (2002), 915.
Einzelheiten zu den Kristallstrukturbestimmungen dieser Arbeit können beim
Fachinformtionszentrum Karlsruhe, 76344 Eggenstein-Leopoldshafen, unter Angabe folgender CSD-Nummern angefordert werden:
CSD-Nummer
SrLaI4
BaLaI4
412275
412276
109
Dank
An dieser Stelle soll all jenen Menschen ein Wort des Dankes zukommen, die zum Gelingen dieser Arbeit
beitgetragen haben:
Zunächst gilt mein besonderer Dank meinem Doktorvater Prof. Dr. G. Meyer, der durch gewährten Freiraum, permanente Diskussions- und Hilfsbereitschaft und Bereitstellung dieses Themas sowie aller benötigten Materialien sehr angenehme Arbeitsbedingungen schuf.
Herrn Prof. Dr. W. Jung danke ich die Übernahme des Korrefferats.
Frau Dr. Claudia Wickleder und Herrn Privatdozent Dr. Mathias Wickleder danke ich für viele Anregungen, Tipps und Hilfen sowie die Diskussionsbereitschaft rund um die Chemie. Ferner sei ihnen für viele
nette gemeinsam verbrachte Feiern und Abende gedankt. Ein spezieller Dank geht zusätzlich an Claudia.
Meinen Laborkollegen Dr. Dirk Göbbels und Dr. Abdeljalil Assoud (Knut) möchte ich für die angnehme
Atmosphäre in „415“ danken. Mit ihnen und den Kollegen Peter A., Stefan, Ina, Sven, Klaus MB.,
Catharina, Daniel und Patrick war das Feiern doppelt so schön.
Frau Privatdozentin Dr. Angela Möller sei für viele gewährte Hilfen und Hinweise gedankt.
Frau Ingrid Müller möchte ich für die Hilfe bei der Synthese der benötigten Edukte, den guten Wein und
zusammen mit Dr. Ingo Pantenburg für den gewährten Freiraum an den IPDS-Geräten sowie den Messungen danken.
Horst Schumacher gilt mein Dank für die Anfertigung diverser Messungen an den
Röntgenpulverdiffraktometern sowie für die Durchführung von EDX-Messungen.
Dem Ehepaar Sulitzky danke ich für jede gewährte Hilfe. Besonders für das gute Essen an so manchem
Sonntag und die Versorgung mit Bienenstich.
Claudia danke ich für alle Dinge neben der Chemie und das moralische Aufbauen, wenn es mit der Chemie
mal nicht so klappte.
Meine Eltern danke ich dafür, dass sie es möglich machten.
110
Lebenslauf
Persönliche Daten
Name:
Niels Gerlitzki
Geburtstag:
08.03.1973
Geburtsort:
Leverkusen
Eltern:
Hans und Theresia Gerlitzki, geb. Dumanski
Familienstand:
ledig
Staatsangehörigkeit: deutsch
Schule
1979-1981
Grundschule Masurenstraße, Leverkusen
1981-1983
1983-1992
Gemeinschaftsgrundschule Schildgen, Berg. Gladbach
Integrierte Gesamtschule Paffrath, Berg. Gladbach
Abschluss: Abitur
Wehrdienst
07/1992-06/1993
Grundwehrdienst in Leer (Ostfriesland) und Köln
10/1993-01/2000
Chemie an der Universität zu Köln
05/1997
01/2000
Vordiplom
Diplom
Studium
Promotion
seit 02/2000
Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Anorganische Chemie der Universität zu Köln