Journal of the Less-Common
Metals, 115 (1986)
17 - 22
KRISTALLSTRUKTUR VERBINDUNGEN
VON Gd3Ga2 UND ISOTYPE~
S. P. YATSENKO, R. E. HLADYSCHEWSKY, 0. M. SITSCHEWITSCH, A. A. SEMYANNIKOV, Yu. N. HRYN’ und Ya. P. YARMOLYUK
17
V. K. BELSKY,
I~t~tut fiir Chemie U.N.Z. Akademie Nauk S.S.S.R., S~e~~owsk (U.S.S.R.), Lwower Staatsuniversit(it, Lwow (U.S.S.R.) und Physikal-chemisches L. Ya. Karpov-Forschungsinstitut, Moskau (U.S.S.R.) (Eingegangen
am 28. Dezember,
1984)
Zusammenfassung
Die Kristallstruktur der Verbindung Gd3Ga2 wurde mit Hilfe von Einkristallmethoden untersucht. Sie ist der erste Vertreter eines neuen Strukturtyps (Raum~uppe 14/mcm, a = 11,666 A, c = 15,0618, 2 = 16). Isostrukturelle Verbindungen bilden sich mit Neodym, Samarium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium, Lutetium und Yttrium. Diskutiert wird die strukturelle Verwandtschaft von Gd3Ga2 mit anderen Verbindungen von seltenen Erdmetallen.
Summary
The crystal structure of Gd,Gaz was studied by means of single-crystal methods. The structure belongs to a new structure type (space group I4/mcm, a = 11.666 a, c = 15.061 a, 2 = 16). Isotypic compounds are formed by neodymium, samarium, terbium, dysprosium, holmium, erbium, thulium, lutetium and yttrium. The relationships of the Gd3Ga2 structure with those of other rare earth compounds are described.
1. Einleitung
bber die Verbindungen der Zusammensetzung R3Ga2 (R = seltenes Erdmetall) wurde zum erstenmal von Gupta et al. [l] berichtet: fur Gd,Ga2 wurde mit Hilfe der Pulvermethode die tetragonale Elementarzelle mit a = 8,292 a und c = 7.530 a gefunden. Man vermutete, dass die Struktur von Gd,Ga, zum Zr~l~-St~kturtyp gehiirt. Derselbe Strukturtyp wurde such fiir Ce$a, gefunden [Z]. Etwas spater haben wir gezeigt 131, dass sich solche Verbindungen such mit Terbium, Holmium und Erbium bilden, aber obwohl man die Pulverdiagrammen mit dem obengenannten tetragonalen Gittern gut indizieren kann, sind Reflexe vorhanden, welche der Symmetrie @ Else&a- Sequoial~inted
in The Netherlands
18
des Zr3A12-Strukturtyps (Raumgruppe P4Jmnm) widersprechen. Darum war das Ziel der vorliegenden Arbeit die Strukturuntersuchung von GdaGa* mit Hilfe von Einkristallmethoden. 2. Experimentelle
Ergebnisse
Die Proben wurden nach der Methodik der Lit. 4 hergestellt. Die entstehenden Stoffe zersetzen sich schnell in Luft. Fur die Rontgenuntersuchung wurde ein plattenfijrmiges Einkristall ausgewahlt. Die Laueaufnahmen zeigten die tetragonale Symmetrie 4/mmm. Die aus den Drehaufnahmen abgeleiteten Gitterparameter wurden entsprechend den sorgfaltig gemessenen Winkelwerten von 15 Reflexen auf einem Vierkreisdiffraktometer 0ptimier.t: a = 11,666(l) A, c = 15,061(2) A. Die 387 unabhangigen Reflexe mit I > 301 wurden an demselben Diffraktometer vermessen (MO KCY,Graphitmonochromator, 8 - 2&scan, 213,~~ = 65”). Bei der Berechnung wurden alle winkelabhangigen Faktoren beriicksichtigt. Die Absorptionskorrektur erfolgte experimentell. Alle Rechenarbeiten wurden an Hand von SHELXTL-Programmen durchgefiihrt. Die beobachteten Reflexe hkl nur mit h + k + 1= 2n und Okl nur mit k = 2n und 1= 2n entsprechen nach Lit. 5 drei mijglichen Raumgruppen: I4/mcm, I4cm und I&2. Die statistischen Tests weisen eindeutig darauf hin, dass die Struktur von Gd,Gaz ein Symmetriezentrum hat. Die Atomparameter wurden im Rahmen der Raumgruppe M/mcm mit Hilfe von direkten Methoden ermittelt. Die Strukturverfeinerung gab Rhkl = 0,072 fur alle Reflexe in der anisotropen Naherung. Die Endwerte der Atomparameter und Temperaturfaktoren sind in der Tabelle 1 angegeben, die Atomabstlnde in der Tabelle 2 zusammengefasst und die Projektion der Struktur auf die x,y-Ebene ist in der Abb. 1 dargestellt. Die isotypen Verbindungen sind bei 600 “C in den Systemen von anderen seltenen Erdmetallen gefunden. Ihre kristallographischen Daten sind in der Tabelle 3 aufgeftihrt. Das Pulverdiagramm von Ce3Gaz ist verschieden und weist keine Isotypie mit anderen RsGa2 Verbindungen auf. TABELLE
1
Atomparameter
und Temperaturfaktoren
in der Struktur
Gd3Gaz
Atome
X
Y
z
ua
Gdl
0,2029(2) 0,5 0,1688(4) 0,116(l) 0,1777(6) 0 0
0,0666(2) 0 -0,3312(4) -0,384(l) -0,3223(6) 0 0
0,1356(2) 0,1510(6)
0,0203(S) 0,046( 2) 0,019(l) 0,026(3) 0,022(2) 0,040(6) 0,024(4)
Gd2 Gd3 Gal Ga2 Ga3 Ga4
035 0 0,2987(5) 0 0,25
19
TABELLE Atomabstinde
2 in der Struktur
Atome
Abstand
Gdl-Gal Gdl-Ga4 Gdl-Ga2 Gdl-Ga2 Gdl-Ga3 Gdl-Ga2 Gdl- 2Gdl Gdl- Gd2 Gdl-Gd3 Gdl-Gd3 Gdl-Gdl Gdl-Gdl Gdl-Gdl Gdl- Gdl
2,992(3) 3,029(3)
3,108(7) 3,157(3) 3,221(3) 3,323(7) 3,522(4) 3,560(3) 3,723(3) 3,735(4) 3,780(3) 3,804(4) 4,084(3) 4,115(4)
Gd2-2Gal Gd2-Gd2 Gd2-2Ga2 Gd2-4Gdl Gd2-2Gd3 Gd2%2Ga2
2,977(9) 2,982(13) 3,028(6) 3,560(3) 3,595(6) 3,680(8)
(8)
Gd3Ga2 Koordinationszahl
Atome
Abstand
15
Gd3-2Ga2 Gd3-2Gal GdS-Gal Gd3--2Gd2 Gd3m~4Gdl Gd3%4Gdl
3,036(7) 3,383(12) 3,543(9) 3,595(6) 3,723(3) 3,735(3)
Gal-2Gd2 Gal 4Gdl Gal 2Gd3 Gal-Gd3
2,977(9) 2,992(3) 3,383(2) 3,543(9)
9
Ga2-Ga2 Ga2-Gd2 Ga2--Gd3 Ga2-2Gdl Ga2-2Gdl Ga2-2Gdl Ga2-Gd2
2,800(S) 3,028(6) 3,036(7) 3,108(7) 3,157(3) 3,323(7) 3.680(8)
10
Ga3%8Gdl Ga3%4Gd3
3,221(3) 4,337(2)
12
Ga4&8Gdl
3,029(3)
8
13
Abb. 1. Die Projektion der Struktur GdaGaz auf die x,y-Ebene polyeder der Atome Gadolinium (a - c) und Gallium (d - 8).
(A)
Koordinationszahl
15
und die Koordinations-
20 TABELLE
3
Kristal~ographi~he
Daten von R~Ga*-Verbi~dungen
Verbindung
a @I
c at
V (A31
Nd3Gaz Sm 3Gaz Gd3Gaz Tb3Gaz
11,915(5) 11,713(7) 11,666(l) 11,604(4) X1,566(6) 11,489(5) 11,385(8) 11,24(l) 11,211(9) 11,62(l)
15,34(l) 15,17(l) 15,061(Z) 14,862(7) 14,83(l) 14,70(l) 14,54(l) 14,47(2) 14,38(2) 14,86(2)
2178 2081 2050 2001 1984 1940 1885 1828 1807 2006
Dy3Gaz Ho3Gaz Er3Gaz Tm3Gaz Lu3Gaz Y3Ga2
3. Strukturbeschreibung
und Strukturverwandtschaften
Die Struktur von Gd3Ga2 ist der erste Vertreter eines neuen Strukturtyps. Im Vergleich zu den Ergebnissen von Lit. 1 ist das Zellvolumen viermal grosser: a =42a [l] und c = 2c [l]. Die Koordinationspolyeder von Gadoliniumatomen haben 13 oder 15 Spitzen und stammen entweder vom Kubooktaeder (mit einer Zusatzspitze, Abb. l(b)) oder vom Pentagonalprisma (mit fiinf Zusatzspitzen, Abb. l(c)). Galliumatome befinden sich in den Zentren von Trigon~prismen (Abb. l(d), l(e)), etwas ausgedehnten Wiirfeln (Abb. l(f)) und tetragonalen Antiprismen (Abb. l(g)). I n d en Spitzen dieser Vielfkichner liegen nur R-Atome. (R-, R’-, R”- und X-Atome verschiedener Griisse: ra = ra’ > rk” & rx .) Die Wiirfel und Antiprismen sind aufeinander gestapelt und bilden Kolonnen entlang der z-Achse. Diese Kolonnen sind miteinander durch die Trigonalprismen verkniipft. Das auf diese Weise entstehende Geriist von Polyedern fiillt den ganzen Strukturraum so aus, dass leere Pyramiden und Tetraeder gebildet werden (Abb. 2). Wie die Abb. 2 zeigt, hat die Struktur von Gd3Gaz einen deutlichen Schichtaufbau. Normal zu z-Achse sind zwei verschiedene Schichtenpakete zu sehen (I und II). In den Grenzen der Element~zelle haben diese Pakete die Zusammensetzung Gd14Ga, (R&J und GdiOGa,, (R,~,,). Das Fragment II ist noch in keiner Struktur gefunden worden, obwohl es zur W&aStruktur verwandt ist (Abb. 3). Fragment I entspricht den Lagen der Atome nach der Struktur von Ti3CosBZ [6 1, aber die Verteilung der Atome verschiedener Griisse ist anders. Anstatt R‘6R”,&4 fur Ti3CogB2 haben wir RIG6 in GdsGaz (Abb. 3). Solche Details (Fra~ent I) wurden schon in der Strukturen der Reihe RM +9n+ 1~pX6m +sn+bB (YaRhz, Sm26(Ga, CO)~Y, Pu&&) beobachtet (71, aber hier sind sie mit den Fragmenten der Struktur W,Si, (R,&,) und unbekannter R&s verkniipft. Diese Information zeigt, dass die Struktur von GdsGaz als erster Vertreter der neuen Reihe von
21
Abb. 2. Die Verkniipfung der Koordinationspolyeder van Galliumatomen GdsGaz und ihr Schichtaufbau. Die Polyeder der Galliumatome sind dargestellt.
in der Struktur mit 0 < y Q 0,18
1?glL I Oo~O~O ====“oo & ‘0”” 0,‘” O 00 1 og0 omo~oo 0 0 0 O”P looool
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0” ooo O ’ 0 0 &-o-o -- 0 & Gd3G02
Abb. 3. Die Strukturen.
(III
Baudetails
w5 513
der
Struktur
Gd3Gaz
und
ihre
Beziehung
zu den
bekannten
Zusammensetzung Strukturen unhomogenen linearen [81 der aufgefasst werden kann. Als Anfangsstrukturen kann man R 14m+ lOn&m+ 10n Ti,Co5BZ- und eine unbekannte Rl&,o-Struktur betrachten.
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Literatur 1 2 3 4 5 6 7 8
R. M. Gupta, M. L. Shepard und H. Hacker, J. Appl. Crystallogr., 5 (1972) 142. D. Dayan, J. Pelleg und R. Guisser, J. Less-Common Met., 68 (1979) 199. Yu. N. Hryn’, Dissertation, Lwower Staatsuniversitiit, 1980. S. P. Yatsenko, E. I. Hladyschewsky, K. A. Tschuntonow, Ya. P. Yarmolyuk und Yu. N. Hryn’, J. Less-Common Met., 91 (1983) 21. N. F. M. Henry und K. Lonsdale (Hrsgn.), International Tables for X-ray Crystdography, Bd. 1, Kynoch, Birmingham, 1965. Yu. B. Kuz’ma und Ya. P. Yarmolyuk, Zh. Struht. Khim., 12 (1971) 458. Ya. P. Yarmolyuk, Yu. N. Hryn’ und 0. M. Olesch, Kristallogrufiya, 25 (1980) 248. Yu. N. Hryn’, Ya. P. Yarmolyuk und E. I. Hladyschewsky, Kristdografiya, 27 (1982) 686.