¿Por qué los defectos de Frenkel ocurren solo en ciertos compuestos, como aquellos con bajos números de coordinación, covalencia parcial y estructuras abiertas?

Primero, tenemos que echar un vistazo a los defectos de Frenkel, con esta imagen mostrando uno de ellos.

La parte B de la imagen es el defecto de Frenkel. Al mirarlo, notamos que uno de los átomos más pequeños ha sido expulsado de su sitio anterior y colocado entre otros átomos en el cristal. Esto nos da pistas sobre qué tipos de sólidos pueden acomodar fácilmente un defecto de Frenkel.

Grandes diferencias de tamaño entre iones

Un ión pequeño puede deslizarse fácilmente entre un grupo de iones grandes, porque los iones grandes están proporcionando mucho espacio para que el ión pequeño entre. Los científicos llaman a los espacios entre iones en un cristal los sitios intersticiales, y un defecto de Frenkel desplaza un átomo a un sitio intersticial de un cristal. Si los cationes y aniones en un cristal son demasiado similares entre sí en lo que respecta al tamaño, será difícil que los iones ingresen a sitios intersticiales. Mira esto como un arreglo de bolas. Imagine una pila de pelotas de baloncesto e intentará insertar una variedad de pelotas en la pila sin molestarla. Las pelotas de baloncesto son tus grandes iones, y las bolas que estás agregando representan los otros iones del cristal. Si tiene una pelota de ping-pong, debería tener poca dificultad para agregarla a la pila, ya que su tamaño le permite deslizarse fácilmente en los huecos que dejan las pelotas de baloncesto. La pila no se altera fácilmente, lo que significa que se necesita poca energía para hacerlo. Sin embargo, si le dieron una pelota de béisbol para poner en la pila, le resulta un poco más difícil hacerlo, ya que el béisbol está más cerca del baloncesto en términos de tamaño. Agregar una bola de boliche a la pila significa que la pila se verá gravemente perturbada, porque las dos bolas son de tamaño similar.

Bajos números de coordinación y espacios abiertos.

Los compuestos que no tienen muchas conexiones entre iones o átomos generalmente tienen muchos espacios abiertos. Volvamos a la pila de baloncesto como nuestro ejemplo aquí. Al eliminar algunas de las bolas de la pila para reducir el número de bolas vecinas entre sí, estamos creando espacios abiertos y ampliando los sitios intersticiales. Si tuviéramos que hacer el proceso de inserción con las diversas bolas, los espacios abiertos, creados por el número reducido de coordinación, hacen que sea mucho más fácil agregar las nuevas bolas a la pila. Esto significa que no necesitamos tanta energía para crear un defecto de Frenkel en dicho cristal. Tener espacios abiertos, como los que se encuentran en las zeolitas, hace que los defectos de Frenkel sean bastante fáciles de lograr, ya que los sitios intersticiales son mucho más grandes en comparación con los cristales de alta densidad que tienen átomos muy juntos. Esta imagen muestra la estructura cristalina de una zeolita, con grandes aberturas en su estructura.

Covalencia parcial

En los cristales que tienen enlaces covalentes como parte de sus estructuras, las cargas pueden deslocalizarse o compartirse entre los átomos en fragmentos del cristal. Esto reduce las cargas efectivas de los átomos individuales que forman un ion, y también reduce el rango efectivo de interacciones entre los átomos en un cristal. Los cristales iónicos se mantienen unidos mediante interacciones de largo alcance, y generalmente tienen una alta energía de red, lo que dificulta la formación de un defecto de Frenkel. Tener covalencia parcial significa que la energía de la red se reduce considerablemente, y las interacciones de corto alcance ahora comienzan a ser importantes para definir la estructura del cristal. Entonces, la covalencia parcial hace que los átomos y fragmentos en un cristal sean más fáciles de mover. Refiriéndonos de nuevo al montón de baloncesto en nuestras discusiones, podríamos simular una alta energía reticular en el montón uniendo imanes de neodimio a las bolas y permitiendo que se unan. Los imanes aumentan la fuerza de las interacciones bola-bola, que normalmente son bajas y similares a un cristal parcialmente covalente. Si intentamos insertar pelotas pequeñas entre los huecos de las pelotas de baloncesto, encontramos una resistencia considerable, porque las pelotas se atraen fuertemente entre sí. El mismo efecto se aplica a los diamantes y a los cristales altamente covalentes, ya que estos tienen fuertes enlaces que mantienen unidos a los átomos.

Ocurre en compuestos con bajos números de coordinación porque tales compuestos tienen una gran diferencia en los tamaños de cationes y aniones, los mejores ejemplos serían haluros de plata (AgCl, AgBr, etc.).