Strukturelle Unterschiede zwischen Sr2(V 0)(A s04)2 und Ba2(V 0)(P 04)2 Strucural Differences between Sr2(V 0 )(A s0 4)2 and Ba2(V 0 )(P 0 4)2 C. Wadewitz, Hk. Müller-Buschbaum* Institut für Anorganische Chemie der Christian-Albrechts-Universität, Olshausenstraße 40, D-24098 Kiel Z. Naturforsch. 51 b, 1290-1294 (1996); eingegangen am 26. April 1996 Barium, Strontium, Vanadium, Phosphorus, Arsenic, Oxygen, Crystal Structure Two new alkaline earth vanadyl compounds, Sr2(V 0 )(A s 0 4)2 (I) and Ba2(V 0 )(P 0 4)2 (II), have been prepared by solid state reactions in closed quartz tubes and characterized by sin­ gle crystal X-ray diffraction methods. Crystal data: (I): monoclinic, C ,h -12/a, a = 6.873(2), b = 16.307(4), c = 7.196(2) A, ß = 115.67(2), Z = 4; (II): monoclinic, C^-I2, a = 9.471(2), b = 5.443(1), c = 16.972(4) Ä, ß = 101.65(2), Z = 4. (I) is isotypic to Sr2(V 0 )V 20 8 and Sr2(V 0 )(P 0 4)2. (II) shows significant differences to the strontium compounds as well as to Ba2(V 0 )(V 0 4)2. The differences of the crystal chemistry and the similarity of (II) to Ba2(V 0 )(P 0 4)2 H20 are discussed. Einleitung In den letzten Jahren wurde wiederholt gezeigt, daß die Kristallchemie der Oxovanadate der der salzartigen Phosphate und Arsenate ähnelt. Be­ schränkt man die Vergleiche auf die hier interessie­ renden Beispiele der Bruttoformel M 2(V 0 )(A 0 4)2 (M = Erdalkalimetall, A = P, V), so sind Sr2(V 0)V 20 8 [1,2] und Sr2(V 0 )(P 0 4)2 [3] zuein­ ander isotyp. Der Ersatz von Sr2+ gegen das größe­ re Ba2+-Ion führt in Ba2(V 0 )(V 0 4)2 [1,4] zu ei­ nem veränderten Aufbau, der sich im Wesentlichen durch Unterschiede in der Verknüpfung von Vv0 4Tetraedern mit den kantenverknüpften V lv0 5+1Polyederketten bemerkbar macht. Beispiele für ein Vanadyl-Arsenat des Strontiums oder ein VanadylPhosphat des Bariums sind unbekannt. Untersuchungen an Erdalkalimetall-DivanadylPhosphaten und -Arsenaten der Zusammensetzung M (V 0)2(A 0 4)2 mit M = Ca, A = P [5], Ba/P [6]; M = Sr, Ba, A = As [7] zeigen auf, daß selbst zwischen den salzartigen Phosphaten und Arsenaten kristallchemische Unterschiede auftreten. Isotyp zueinander sind Sr(V 0)2(A s0 4)2 und B a(V 0)2(A s0 4)2, die sich durch zwei kantenver­ knüpfte V IV0 5+)-Polyeder auszeichnen. Bei den entsprechenden Phosphaten C a(V 0)2(P 0 4)2 [5] * Sonderdruckanforderungen an Prof. Dr. Hk. Müller-Buschbaum. 0 9 3 9 -5 0 7 5 /9 6 /0 9 0 0 - 1 2 9 0 $ 0 6 .0 0 und B a(V 0)2(P 0 4)2 [6] geht infolge der Größenun­ terschiede zwischen Ca2+ und Ba2+ die Isotypie ver­ loren. B a(V 0)2(P 0 4)2 ist erstaunlicherweise nicht mit B a(V 0)2(Ä s0 4)2 isotyp. Erweitert man den Literaturüberblick auf die kri­ stallwasserhaltigen Stoffe, so sind Ba2(V 0 )(P 0 4)2 H ,0 [8], B a(V 0)(A s04)(H2A s0 4) H20 [9] und B a(V 0)(P 04)(H2P 0 4) H20 [10] zu erwähnen. Die letztgenannten, auf dem Wege der Hydrothermalsynthese dargestellten Verbindungen, weisen neben P 0 4~- auch H ,P 0 4~-Anionen auf. Der folgende Beitrag schließt die oben erwähn­ ten Lücken. Es wird über die Synthesen und Kristallstrukturen von Sr2(V 0)(A s04)2 und Ba2(V 0 )(P 0 4)2 berichtet. Darstellung von Einkristallen der Verbindungen Sr 2(V 0 )(As 04)2 und Ba 2(V 0 )(P 04)2 und deren röntgenographische Untersuchung Bei der Synthese von Sr2(V 0)(A s04)2 (I) und B a-,(V 0)(P04)-> (II) wurde analog zur Synthese von Sr2(V 0 )(P 0 4)2 [3] vorgegangen. Die Ausgangs­ stoffe Sr2As2Ö 7 bzw. Ba2P20 7 wurden mit V20 3 (Aldrich 99,9%) und V ^ 0 3 (Merck, p.a.) im Verhält­ nis 4 : 1 : 1 innig vermengt. Die Reaktion erfolgte in einer evakuierten Quarzampulle über vier Wo­ chen bei 800 °C (I) bzw 900°C (II). Sr2As2Ov und Ba2P , 0 7 wurden durch Sintern von S rC 03 (Merck, p.a.) und A s20 5 (Aldrich, 99,99%) bzw. B aC 0 3 (c) 1996 Verlag der Z eitschrift für N aturforschung. A ll rights reserved. K Dieses Werk wurde im Jahr 2013 vom Verlag Zeitschrift für Naturforschung in Zusammenarbeit mit der Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. digitalisiert und unter folgender Lizenz veröffentlicht: Creative Commons Namensnennung-Keine Bearbeitung 3.0 Deutschland Lizenz. This work has been digitalized and published in 2013 by Verlag Zeitschrift für Naturforschung in cooperation with the Max Planck Society for the Advancement of Science under a Creative Commons Attribution-NoDerivs 3.0 Germany License. Zum 01.01.2015 ist eine Anpassung der Lizenzbedingungen (Entfall der Creative Commons Lizenzbedingung „Keine Bearbeitung“) beabsichtigt, um eine Nachnutzung auch im Rahmen zukünftiger wissenschaftlicher Nutzungsformen zu ermöglichen. On 01.01.2015 it is planned to change the License Conditions (the removal of the Creative Commons License condition “no derivative works”). This is to allow reuse in the area of future scientific usage. 1291 C. W adew itz - Hk. M üller-B uschbaum ■Sr 2 (V 0 )(A s 0 4 ) 2 und Ba 2 (V 0 )(P 0 4 ) 2 Tab. I. Kristallographische Daten und Meßparameter für Sr2(V 0 )(A s0 4)2 (I) und Ba2(V 0 )(P 0 4)2 (II) mit Stan­ dardabweichungen in Klammern. I Kristallsystem Raumgruppe Gitterkonstanten [A] und Winkel [°] Zellvolumen [ A '] Auslöschungsbedingungen Zahl der Formeleinh. Diffraktometer Strahlung /Monochromator Korrekturen II monoklin monoklin C^h -12Io C2-I2 0 = 6,8716(13) a = 9,4707(14) /;= 16,307(4) b = 5,4433(10) c = 7,196(2) c — 16,972(4) ß = 115,67(2) ß = 101,648(13) 726,7(3) 856,9(3) hkl: h+k+I = 2n hOI: h, / = 2n /?0/: h+l = 2 n 0kl: k+1 = 2n hkO: h+k = 2n hOO, OkO, 00/ = 2n Z =4 Z =4 Siemens Phillips AED 2 PW 1100 M oK o/G raphit PolarisationsEMPIR [18] Extinktionskoeff. 0,001662(7) Absorptionskoeff. 24,528 mm-1 2<9-Bereich[°] 5 bis 70 Meßzeit pro Reflex [s] 1-4 Meßmodus: i?/20 Vermessene Reflexe: 4359 Symmetrieunabh. Reflexe 1108 Reflexe für I>2cr(I) 759 Parameter (anisotrop) 72 Gütefaktoren R 1 = 0,089 (alle Reflexe) wR2 - 0,061 u. Lorentzfaktor, EMPIR [18] 0,000245(7) 10,025 m m -' 5 bis 70 1-16 m 20 4136 2057 1334 130 R 1 =0,068 wR2 = 0,065 (Merck, p.a.) und P20 5 (Merck, p.a.) bei 700 °C erhalten. Bei der Synthese von Sr2(V 0 )(A s0 4)2 entstand ein tief-dunkler Sinterkörper, aus dem kleine dun­ kelgrüne Einkristalle isoliert wurden. Das Reakti­ onsprodukt zur Synthese von Ba2(V 0 )(P 0 4)2 war hellgrün. Von entsprechender Farbe waren auch die isolierten Einkristalle. Beide Kristallspezies wur­ den mit energiedispersiver Röntgenspektrometrie (Elektronenmikroskop Leitz SR 50, EDX-System Link AN 10000) unter Anwendung standardfreier Meßtechnik analysiert. Das Verhältnis der Elemen­ te Sr : V : As bzw. Ba : V : P betrug 2,5 : 1 : 2,2 bzw. 2,2 : 1 : 2,4. Mit Drehkristall- und Weissenberg-Aufnahmen sowie Vierkreisdiffraktometer-Messungen wurden Tab. II. Atomparameter und äquivalente Temperaturfak­ toren Ueq für Sr2(V 0 )(A s0 4)2 (I) und Ba2(V 0 )(P 0 4)2 (II) mit Standardabweichungen in Klammern. Atom Lage X V u eq (I) Sri Sr2 PI P2 V* Ol 02 03 04 05 4e 4e 4e 4e 8f 4e 8f 8f 8f 8f 0,25 0,25 0,25 0,25 0,7506( 1) 0,25 0,1333(1) 0,0635( 1) 0,0577(1) 0,1541(1) 0,6242( 1) 0,0431(1) 0,8373( 1) 0,4220( 1) 0,7449( 1) 0,2102(1) 0,6027( 1) 0.7277(1) 0,4793 (1) 0,3607( 1) 0 0 0 0 0,2807( ) 0 0,6123(1) 0,3324( ) 0.8299( ) 0,1340( ) 0,013(1) 0,012(1) 0,008( 1) 0,007( 1) 0,007( 1) 0,023(1) 0,013(1) 0,013(1) 0,020( 1) 0,013(1) (II) Bai Ba2 VI V2 PI P2 Ol 02 03 04 05 06 07 08 09 010 4c 4c 2a 2b 4c 4c 4c 4c 4c 4c 4c 4c 4c 4c 2a 2b 0.5859(1) 0,0853(1) 0 0,5 0,1942(1) 0,6931(1) 0,8611(1) 0,3606( 1) 0,1694(1) 0,6328( 1) 0,6551(1) 0,1242(1) 0,6321(1) 0,1441(1) 0 0,5 0,4516(1) 0,4901(1) 0,0289(1) 0.9054( 1) 0,9418(1) 0,0039( 1) 0,0030( 1) 0.9832(1) 0,7209( 1) 0,0625(1) 0,2035( 1) 0,8639( 1) 0,7634( 1) 0,1852(1) 0,3246(2) 0,6063( 1) 0,1642(1) 0 ,1635( ) 0 0 0,8703( ) 0,8689( ) 0,8958( ) 0,8989( ) 0,8092( ) 0,9472( ) 0,8094( ) 0,9407( ) 0,8265( ) 0,8355( ) 0 0 0,015(1) 0.011(1) 0,013(1) 0,008(1) 0,007(1) 0,011(1) 0,008(1) 0,013(1) 0,016(1) 0,015(1) 0,011(1) 0.013(1) 0,017(1) 0,016(1) 0,031(1) 0,018(1) * Splitlage mit S.O.F = 0,5; hervorgegangen aus der Lage 4d mit den anisotropen thermischen Auslenkungsparametern U ,, = 0,007(1) U22 = 0,017(1) U 33 = 0,064(1) U 23 = -0,029( 1) U13 = 0,005? 1) U l2 = -0,003( 1). die kristallographischen Daten bestimmt. Diese sind gemeinsam mit den Meßbedingungen in Tab. I auf­ geführt. Mit dem Programm SHELXS-86 [11] wur­ den die Lagen der Metalle, mit Fourier-Rechnungen unter Anwendung des Programms SHELXL-93 [12] die Lagen für Sauerstoff bestimmt. Die verfei­ nerten Parameter sind in Tab. II zusammengefaßt. Mit diesen Werten berechnen sich die in Tab. III zusammengestellten wichtigsten Metall-SauerstoffAbstände. Wie Tab. I zeigt, sind infolge vieler Re­ flexe, die sich nicht eindeutig vom Untergrund ab­ heben (kleine Kristalle, 20 = 70°), die Gütefaktoren über alle Reflexe recht groß. Für Reflexe mit einer cr-Schranke I > 2<r(I) lauten die Gütefaktoren für 1292 C. W adew itz - Hk. M üller-B uschbaum • Sr 2 (V 0 )(A s 0 4 ) 2 und B a 2 (VO)(PC> 4 ) 2 I S r i-05 -0 2 -0 4 -0 3 2,5264(7 2,5415(8 2,7253(7 2,7553(7 S r2-04 -0 2 -Ol -0 2 -0 5 2,5862(6 2,6154(7 2,7251(8 2,7402(6 2,8861(7 II (2x) Bai -0 3 -0 7 (2x) -0 3 (2x) -0 5 (2x) -0 2 -OIO (2x) -0 8 (2x) -0 8 -0 2 (2x) (2x) -0 4 As 1-02 1,6784(5 (2x) Ba2 -0 5 -0 3 1,6965(5 (2x) -0 8 -0 3 A s2-04 1,6484(5 (2x) -05 -0 5 1,7070(5 (2x) -0 9 -01 V -01 1,6779(5 -0 7 -0 5 1,9776(5 -0 7 -0 5 2,0000(6 -01 -0 3 2,0048(6 -0 6 -0 3 2,0368(6 -01 2,1466(6 2,7014(6) VI -0 9 2,7020(6) -0 6 2,7334(8) -01 2,7654(6) 2,8503(7) V2 -OIO 2,8679(6) -0 4 2,9390(6) -0 2 3,1186(9) 3,1615(7) PI -0 8 3,2818(7) -0 6 -0 2 2,6942(7) -0 3 2,7365(6) 2,8399(7) P2 -0 5 2,8692(6) -0 7 -01 2,8740(7) -0 4 2,9167(6) 2,9796(8) 3,0366(7) 3,0452(6) 3,1387(6) S r,(V 0 )(A s0 4)9 R 1 = 0,048; wR2 = 0,055 und für Ba2(V 0 )(P 0 4)2 RI = 0,027; wR2 = 0,059*. Beschreibung der Kristallstrukturen mit Diskus­ sion 1,6100(9) 1.9179(6) (2x) 1,9840(6) (2x) Tab. III. Interatomare Abstande [Ä] für Sr2(V 0 )(A s0 4)2 (I) und Ba2(V 0 )(P 0 4)2 (II) mit Standard­ abweichungen in Klammern. 1,6281(8) 1,8898(6) (2x) 1,9879(6) (2x) 1,4887(6) 1,5390(7) 1,5686(5) 1,5739(6) 1,4777(6) 1,5482(6) 1,5647(5) 1,5805(7) stapelt. Die zueinander isolierten A s0 4-Tetraeder verbrücken die ^ [V 0 5]-Ketten wegen der kurzen a-Achse längs [100] direkt miteinander. Das be­ deutet, daß die Stapelung der ^ [V 0 5]-Ketten in Die Röntgenstrukturanalyse von Sr2(V 0 )(A s0 4)2 zeigt, daß diese Verbindung zum Vanadyl-Vanadat Sr2(VO)V2Og [1, 2] und Vanadyl-Phosphat Sr2(V Ö )(P04)2 [3] isotyp ist. Da de­ ren Kristallstrukturen bereits ausführlich beschrie­ ben wurden, werden für die anschließende Dis­ kussion hier nur die typischen Merkmale von Sr2(V 0 )(A s0 4)2 aufgeführt. Abb. 1 gibt die Ver­ knüpfung von A s0 4-Tetraedern (enge Schraffur) mit V ,v0 5+1-Oktaedern (weite Schraffur) wieder. Es ist zu erkennen, daß längs [001] die V 0 5+r Oktaeder über Ecken zu ^ [V 05]-Ketten verknüpft sind. In Richtung der a- und b- Achse sind die ^ [V 0 5 [-Ketten im Abstand von a l2 und b/2 ge­ *A lle Rechnungen wurden auf einer IBM R S/6000 des In­ stituts für Anorganische Chem ie der Universität Kiel durch­ geführt und die Zeichnungen mit einem modifizierten ORTEPProgramm [13,14] erstellt. Weitere Einzelheiten zur Kristallstrukturuntersuchung können beim Fachinformationszentrum Karlsruhe, 76344 EggensteinLeopoldshafen. unter Angabe der Hinterlegungsnummern CSD405255 und C S D -405256 angefordert werden. Abb. 1. Perspektivische Darstellung der Polyederver­ knüpfung in Sr2(V 0 )(A s 0 4)2 mit Blick längs [100], AsÖ4-Tetraeder = enge Schraffur, V 0 5+, -Polyeder = wei­ te Schraffur. Die Polyeder um Sr2+ (große Kugel mit Seg­ ment) sind in offener Form gezeichnet. O '- = kleine of­ fene Kugeln. 1293 C. W adew itz - Hk. M üller-B uschb aum • Sr 2 (V 0 )(A s 0 4 ) 2 und B a 2 (V 0 )(P 0 4 ) 2 Abb. 2. Perspektivische Darstellung der Polyederver­ knüpfung in Ba2(V 0 )(P 0 4)2 mit Blick längs [010], P 0 4-Tetraeder = schwarze Flächen, tetragonale V (1 )0 5Pyramiden = weite Schraffur, V (2 )0 5-Pj/ramiden = enge Schraffur, Große Kugel mit Kreuz = Ba~+, kleine offene Kugeln = 0 2~. a) b) Abb. 4. a) ^ [(VO)P2O x[-Polyederstrang in Ba2(V 0 )(P 0 4)2. Symbole wie in Abb. 2. Kleine offene Kugeln = 0 2~. b) [(VO)(H20 ) P 20 8]-Polyederstrang in Ba2(V 0 )(P 0 4)2 H20 . P 0 4-Tetraeder = enge Schraf­ fur, VÖ6-Oktaeder = weite Schraffur. Kleine offene Ku­ geln = 0~~. Abb. 3. Perspektivische Darstellung der Polyederver­ knüpfungin Ba2(V 0 )(P 0 4)2 mit Blick längs [100]. Sym­ bole wie in Abb. 2. Richtung der a-Achse im Abstand einer Tetraeder­ kante erfolgt. Der Kettenabstand längs [010] ist wesentlich größer. Er wird durch A s0 4-Tetraeder und die dazwischen gelagerten Sr2+-Ionen über­ brückt. Abb. 1 zeigt ferner, daß je zwei benachbar­ te V 0 5+l-Oktaeder innerhalb einer ^ [ V 0 5]-Kette durch A s0 4-Tetraeder überbrückt werden. Die Bezeichnung V 0 5+l soll hervorheben, daß durch die asymmetrische Lage von V4+ im Sau­ erstoffoktaeder die Umgebung des Vanadiums als tetragonale Pyramide mit einem relativ kurzen V-O - Abstand von 1,68 A aufgefaßt werden sollte. Der kurze V-O - Abstand ist typisch für eine Vanadylgruppe. Es sei erwähnt, daß analog zu Sr2 (V 0)V 20 8 [1,2] und Sr-,(V0)(P04)2 [3] dieses Vanadiumatom ein ausgeprägtes Schwingungsverhalten in Rich­ tung der 1 [V 05]-Ketten aufweist. In diesem Fall besetzt V ^ die spezielle Lage (4d). Das langge­ streckte Schwingungsellipsoid läßt sich mit Hilfe einer zur Hälfte besetzten Lage (8f) als Splitlage interpretieren, so daß die V4+-Ionen generell eine asymmetrische Position im V 0 6-0ktaeder einneh­ men. Splitpositionen sind häufig auf Unzulänglich­ keiten der Elementarzellabmessungen oder Sym­ metrie zurückzuführen. Hier ließen sich keine Hin­ weise auf eine Symmetrieerniedrigung oder größere Gitterkonstanten finden, um eine geordnete Vertei­ lung der V4+-Ionen auf den Splitpositionen zu er­ reichen. Die zweite untersuchte Verbindung, B ai(V 0 )(P 0 4)2, ist nicht mit Sr2(V 0 )(A s0 4)2 iso­ typ. Wie erwartet, treten P 0 4-Tetraeder auf, die 1294 C. W adew itz - Hk. M üller-B uschbaum • Sr 2 (V 0 )(A s 0 4 ) 2 und Ba 2 (V 0 )(P 0 4 ) 2 nicht miteinander verknüpft sind. Abb. 2 hebt durch unterschiedliche Schraffur hervor, daß hier zwei Vanadiumlagen vorliegen. Im Gegensatz zu Sr2(V 0)(A s04)2 bilden die Sauerstoffpolyeder um V4+ keine Ketten aus. Dies ist der eine deut­ liche Unterschied zwischen Ba-,(V 0)(P04^ und Sr2(V 0 )(A s0 4)2. Ein zweiter betrifft die Polyeder um V4+, die weder oktaedrisch noch in Form ei­ ner V 0 5+l-Koordination auftreten, sondern wegen eines sehr langen V-O - Abstandes von 3,8 A eindeu­ tig tetragonal pyramidal sind. Hierzu zeigt Abb. 3, daß die quadratischen Grundflächen der tetrago­ nalen V 0 5-Pyramiden stark deformiert sind. Eine vergleichbare Sauerstoffkoordination mit Verzer­ rungen der quadratischen Pyramidenflächen wur­ de auch bei den Verbindungen B a(V 0)9(P 0 4)^ [6], Ba04V3O8(VO)04 H2O [15] und CaV30 7 [16', 17] beobachtet. In den V (1)05- und V (2)05-Polyedem von Ba2(V 0 )(P 0 4)2 weist V4+ zu je einem Sau­ erstoff Abstände von 1,61 und 1,63 A auf. Auch hier liegen Vanadylgruppen vor. Abb. 2 zeigt auch, daß in Ba2(V 0 )(P 0 4)2 die an Sr-,(V0)(As04)^ beobachteten ^ [V 0 5]-Ketten in Einzelpolyeder aufgetrennt sind. Die Verknüpfung der VOsPyramiden erfolgt im Kristall verband durch die P 0 4-Tetraeder und Ba2+-Ionen. Die strukturellen Unterschiede zwischen B a-,(V 0)(P04)-, und Sr2(V 0 )(A s0 4)2 beruhen sicherlich nicht auf dem Wechsel vom P 0 4_ - zum A s0 4- -Anion, son­ dern auf dem Größenunterschied zwischen Sr2+ und Ba2+. Hierfür spricht, daß der Aufbau von Ba2(V 0 )(P 0 4)2 eine enge Verwandtschaft zu Ba2(V 0 )(P 0 4)2 H20 [8] aufweist. Dies ver­ deutlichen die in Abb. 4 gezeichneten Struk­ turausschnitte, die die Verknüpfung von tetra­ gonalen V 0 5-Pyramiden in Ba2(V 0 )(P 0 4)-, und V 0 6-0ktaedern in Ba2(V 0 )(P 0 4)2 H-,0 mit P 0 4Tetraedern wiedergeben. Aus den [(V 0)P-,08jPolyedersträngen der Ba2 (V 0 )(P 0 4)-,-Struktur entstehen in der kristallwasserhaltigen Verbin­ dung ^ [(V 0)(H 20 )P 20 8]-Ketten. Das Kristallwas­ ser ergänzt formal die tetragonal pyramidale Sau­ erstoffkoordination von V4+ zu einer oktaedri­ schen. Die Konsequenz hieraus sind offenbar die an Ba2(V 0 )(P 0 4)2 H20 beobachteten Splitpositio­ nen des Vanadiums [8]. [1] J. C. Bouloux, J. Galy, P. Hagenmuller, Rev. Chim. Mineral. 11, 48 (1974). [2] J. Feldmann, Hk. Müller-Buschbaum, Z. Natur­ forsch. 50b, 43 (1995). [3] C. Wadewitz, Hk. Müller-Buschbaum, Z. Natur­ forsch. 51b, 929(1996). [4] J. Feldmann, Hk. 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