26
SCHOOL OF CHEMISTRY AND PHYSICIS UNIVERSITY OF KWAZULUNATAL HOWARD COLLEGE Applied Inorganic Chemistry for Chemical Engineers CHEM261 – 2013 1 st Semester LABORATORY MANUAL Student name: _____________________________ Student number: _____________________________

practical manual - University of KwaZulu-Natal

  • Upload
    others

  • View
    1

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

SCHOOL OF CHEMISTRY AND 

PHYSICIS 

UNIVERSITY OF KWAZULU‐NATAL 

HOWARD COLLEGE

 

Applied Inorganic Chemistry for Chemical 

Engineers 

 

 

CHEM261 – 2013 

1st Semester   

 

 

 

 

 

 

 

 

LABORATORY MANUAL 

Student name: _____________________________

Student number: _____________________________

SCHOOL OF CHEMISTRY AND PHYSICS 

HOWARD COLLEGE CAMPUS 

UNIVERSITY OF KWAZULU‐NATAL 

I, the undersigned (please print your full name): 

_____________________________________________________________________ 

Student No.:  ____________________ 

do  hereby  acknowledge  having  read  and  understood  the  documents  headed 

“Occupational  Health  and  Safety”  and  “Laboratory  Rules  and  Regulations”.  

Furthermore, I accept that contravention of these rules and regulations may lead to 

my expulsion from the laboratory class, or classes, with subsequent loss of my Duly 

Performed (DP) certificate. 

I agree to abide by any additional laboratory regulations or safety rules presented in 

writing  in  this  laboratory manual  or  issued  verbally  by  the  lecturer‐in‐charge,  or 

other  responsible  member  of  staff,  during  pre‐laboratory  lectures  or  in  the 

laboratory. 

In addition, I understand that I must attend at least 80% of the scheduled laboratory 

classes and that failure to do so, irrespective of the reasons, may result in the loss of 

my DP certificate. 

DATE:  __________________ 

SIGNATURE: ___________________________ 

It is a legal requirement that 

SAFETY GLASSES, LABORATORY COATS AND CLOSED 

SHOES 

are worn in the laboratory at ALL times.  

Sunglasses (normal or prescription) are NOT to be worn as a substitute for safety glasses. 

 

Prescription glasses (except sunglasses) are acceptable PROVIDED THEY COVER THE EYES 

COMPLETELY. 

 

Some types of contact  lens should not be worn  in the  laboratory.   Check with your lens 

supplier. 

 

All shoes MUST be closed. No high heels are allowed. 

 

The School requires students to REMOVE, or to MAKE SAFE, headgear that is considered 

dangerous or a potential hazard. 

 

The School requires students with long hair to tie it back. 

 

ii 

General Fire Orders 

Fire‐fighting instructions are exhibited in each laboratory, but the following 

orders must always be obeyed. 

 

In the event of a fire 

Attack it at once using the appropriate fire fighting equipment and SHOUT for 

help. 

 

On hearing a fire evacuation alarm 

Stop normal work immediately. 

Make safe any apparatus and material in use, shutting off any local gas 

taps/valves, electricity and other potentially dangerous services under your 

control. 

Immediately leave the building. 

 

Go to the Fire Evacuation Area outside the main entrance to the building; unless you have been given any other instructions. 

 

iii 

Occupational Health and Safety (OHS)  YOU are warned that all substances handled and all operations performed in a 

laboratory can be hazardous or potentially hazardous.  All substances must be 

handled with  care  and  disposed  of  according  to  laid  down  procedures.    All 

operations  and  manipulations  must  be  carried  out  in  an  organised  and 

attentive manner. 

 

In order to assist you in developing good and safe laboratory techniques, a set 

of  Laboratory  Rules  and  Regulations  is  attached.    You  are  required  to  read 

these and acknowledge that you have read and understood them.  Additionally, 

in  the  laboratory manuals and/or pre‐practical  lectures your attention will be 

drawn to the correct and safe handling of specific chemicals/reagents/solvents 

and to the correct/safe manner  in which specified  laboratory operations must 

be  carried  out.    These  specific  instructions  and/or warnings must  never  be 

ignored. 

iv 

Laboratory Rules and Regulations 

Students  must  be  present  before  the  start  of  each  scheduled  practical  session.  

Latecomers will be refused entry to the laboratory. 

No student will be permitted to work in the laboratory outside of practical hours. 

Do not put anything  into your mouth while working  in the  laboratory.   NEVER taste a 

chemical or solution.  Eating and drinking is PROHIBITED in all laboratories. 

All students are required to wear a  laboratory coat.   No student will be permitted to 

work in a laboratory without one. 

All  students  who  do  not  wear  conventional  spectacles must  wear  eye  protection.  

These must be worn throughout all practical sessions 

All students must wear closed shoes while in the laboratory. 

All students must have a laboratory towel to dry apparatus and clean bench‐tops.  

No entry is allowed into preparation and issue rooms. 

Apparatus and chemicals are not to be removed from the laboratory. 

Students will find the laboratory benches clean on arrival in the laboratory.  The bench 

at which you work must be left clean when you leave the laboratory at the end of the 

practical  session.   Bench  tops must be wiped clean.   Glassware and other apparatus 

should be left clean and dry, unless otherwise indicated or instructed.  Sinks and basins 

must be cleaned after each practical. 

Work areas must at all times be kept clean and free from chemicals and apparatus that 

are not required.   All glassware and equipment must be returned to  its proper place, 

clean and dry and in working condition, unless otherwise indicated or instructed. 

All  solids must be discarded  into  the bins provided  in  the  laboratory.   Never  throw 

matches,  paper,  or  any  insoluble  chemicals  into  the  sinks.    Solutions  and  chemicals 

that are emptied into sinks must be washed down with water to avoid corrosion of the 

plumbing.    Waste  solvents  must  be  placed  into  the  special  waste  solvent  bottles 

provided. 

Before  leaving  the  laboratory at  the end of  the practical  session, make  sure  that all 

electrical equipment is switched off, and that all gas and water taps are shut off. 

Students who break or  lose equipment allocated  to  them will be required  to pay  for 

replacements.  All breakages or losses must be reported to the technician in charge. 

Do NOT heat graduated cylinders or bottles. 

Any apparatus or glassware, which has  to be heated, must be heated gently at  first, 

with heating gradually increased thereafter. 

Balances must be treated with care and kept clean and tidy at all times. 

Fume‐hoods  must  be  used  when  handling  toxic  and  fuming  chemicals.  Other 

operations, such as ignitions, are also carried out in fume‐hoods.  The only parts of the 

body that should ever be in the fume‐hood are the hands ‐ never put your head inside 

a fume‐hood! 

Never leave a laboratory experiment unattended!! 

Reagent  bottles  must  be  re‐stoppered  immediately  after  use.    It  is  ABSOLUTELY 

FORBIDDEN  to  introduce anything  into  reagent bottles  ‐ not even Pasteur pipettes!  

Solutions and reagents taken from bottles must NEVER be returned to the bottles.  Do 

not place the stopper of a reagent bottle onto an unprotected bench top. 

Laboratory  reagents  and  chemicals  must  be  returned  to  their  correct  places 

immediately after use.  Spillage must be cleaned off bottles/containers. 

vi 

Liquids  ‐ whether  corrosive or not  ‐ must be handled with  care  and  spillage on  the 

bench or floor should be avoided.   Any spillage should be cleaned up at once.    If the 

liquid  is corrosive (acids or bases), call your demonstrator or staff member  in charge.  

Never hold a container above eye level when pouring a liquid. 

When carrying out a reaction, or boiling a liquid in a test tube, point the mouth of the 

test tube away from yourself and others in the laboratory. 

Beware of hot glass and metal.   Never handle any  item that has been  in a flame, hot 

oven, or a furnace without taking precautions.   Use  leather/asbestos gloves/tongs, or 

ask for advice. 

Report all accidents, cuts, burns, etc., HOWEVER MINOR, to your demonstrator or the 

staff  member  in  charge.    Eyewash  stations  are  located  in  various  places  in  the 

laboratory.  Ensure that you know where the nearest one to your bench is located. 

A chemical  laboratory  is not a place for horseplay.   Do not attempt any unauthorised 

experiments.   Do not play practical  jokes on  your  classmates  ‐  transgressors will be 

banned  from  the  laboratory,  with  consequent  refusal  of  a  Duly  Performed  (DP) 

Certificate. 

vii 

Instructions to Students 

Read the following instructions CAREFULLY.  Make sure you understand the instructions and 

sign the declaration at the front of the manual. 

Fire Extinguishers are provided in the laboratory.  Make sure you know where they are 

situated and how to use them. 

N.B.  A SHOWER is also located in the laboratory.  Make sure you know where it is!  

Gas  is highly flammable.   It can form dangerous explosive mixtures with air when not 

controlled.  GAS TAPS MUST BE TURNED OFF WHEN GAS IS NOT IN USE.  Slow leaks can 

lead to dangerous concentrations. 

Burners:  Students must  provide  their  own matches  or  lighters.  The  use  of  paper  is 

FORBIDDEN as it poses a fire hazard. 

Flammable solvents such as ether, alcohol, hexane, benzene, acetone, etc., are used in 

the laboratory.  Students must take care when handling these solvents.  The following 

rules are important: 

Flammable solvents are NOT TO BE HEATED IN OPEN CONTAINERS OVER A FLAME.  

These should be heated over a steam bath or under reflux conditions. 

Solvents, such as chloroform, hexane, ether, which are immiscible with water must 

be disposed of by carefully pouring them into the WASTE SOLVENT bottles located 

in the fume cupboards.  They may NOT be poured down sinks or troughs. 

Solvents that are miscible with water (e.g. alcohol and acetone) may be poured into 

the sinks, provided they are washed away with an ample volume of water. 

Glassware with ground glass  joints  is expensive and must be treated with care.   After 

use, glassware must be carefully cleaned, dried, and ground surfaces must be  lightly 

smeared with petroleum jelly.  This prevents the “freezing together" of the joints.  The 

process of "freezing" is accelerated by the presence of any alkaline solid or solution left 

on  the  surfaces.    The  joints  should  NEVER  be  forced  or  heated  with  a  flame.  

Disassemble ALL joints before leaving the laboratory. 

viii 

Students must be careful when using balances. ALL SPILLAGES MUST BE CLEANED UP 

and balances must be left clean. 

Laboratory  benches must  be  looked  after.    Acid  spillages must  be  neutralised with 

sodium bicarbonate and cleaned up immediately.  Bunsen burners, hot glassware and 

steam baths must be placed on asbestos mats.  

Refuse Bins are for SOLIDS only.   No burning or smouldering materials may be placed 

in bins. 

Sinks  and  troughs  are  for  liquids  only.    Solid  material  will  cause  blockage  of  the 

drainage system. 

Use of Fume Cupboards:   The careless use of certain chemicals makes working  in the 

laboratory extremely unpleasant.   Bromination must be done  in  the  fume cupboard.  

Always check warnings on the reagent bottles BEFORE using. 

Practical Preparation: Before the practical class you are required to: 

Familiarise yourself with the experimental procedures you are about to perform. 

Read up the relevant section in your textbook. 

Fill in specific information, as requested. 

Reactions  will  be  discussed  in  lectures,  practical  work  being  examinable  in  your 

examination. 

All SOLID products prepared and derivatives of unknowns must be submitted in neatly 

labelled sample tubes.   Liquid products may not be handed  in, but must be shown to 

your demonstrator for verification and then poured into the appropriate bottle on the 

demonstration bench. 

Report write‐ups must be done on an A4 notebook. 

Report  for  a  particular  practical  MUST  be  handed  in  at  the  conclusion  of  that 

practical  session.   Alternatively,  at  an  agreed  time by  your  lecturer,  and  they will 

then be marked and returned to you at the start of the following laboratory session. 

Schedule of Practical Work 

Practical  Topic  Page No. 

Practical 1A:  Preparation of the “double salt” ammonium copper sulfate  1 

Practical 1B:  Preparation of the “coordination complex” 

tetraaminecopper(II) sulfate 1 

Practical 2:  Preparation of Sodium hexanitrocobaltate(III)  2 

Practical 3:  Preparation of tris(2,4‐pentanedionato)cobalt(III)  3 

Practical 4:  Reduction of copper(II) chloride to copper(I) chloride  4 

Practical 5:  Preparation of chromium metal by the Thermite Reaction  5 

Practical 6:  Construction of model crystals (part 6.1 to 6.9)  6 

Practical 1A  

Preparation of the “double salt” ammonium copper(II) sulfate  

Procedure: 

In  5  mL  of  distilled  water,  dissolve  ammonium  sulfate  (1  g)  and  copper(II)  sulfate 

pentahydrate  (2  g)  and  thereafter  heat  while  stirring  on  hotplate  until  it  completely 

dissolved. 

Part 1:   Cool  the  solution  at  room  temperature,  and  filter  the  crystals  at  the pump.   Dry 

between pad of filter paper and paper towel. 

Part 2:   Evaporate  (heat) the  filtrate to about half of  it volume then cool under tap water.  

Dip a glass rod to facilitate the formation of crystals.  Filter and dry the second crop 

of crystals. 

Record the total weight of dry product (addition of part 1 and 2 products) but keep the two 

samples separate.  Calculate the yield as a percentage for the total product obtained. 

Practical 1B  

Preparation of the “coordination complex” tetraaminecopper(II) sulfate  

Procedure: 

In 10 mL of 60% ammonia solution, dissolve 4 g of copper(II) sulfate pentahydrate.  Cool the 

resulting  deep‐blue  solution  in  ice,  stirring  continuously while  15 mL  of  ethanol  is  added 

slowly drop‐wise using dropper.   Allow the mixture to stand at  least overnight or  latest by 

Friday morning  (before  12.00  pm).    The  supernatant  liquid  should  be  almost  colourless.  

Filter the crystalline product; wash  it with 10 mL of 50% ethanol ammonium solution.   Dry 

the salt in air and calculate the percentage yield. 

NB: 

Hot solution is needed to ensure the salt solution remains saturated and dissolved. 

You also need to show your samples to the demonstrator for marking purpose.  

Solutions, reagents and waste management during and after the practical is expected 

from students. 

Practical 2  Preparation of Sodium hexanitrocobaltate(III)  Procedure: 

Heat 12 g of pure potassium‐free sodium nitrite in 12 mL of cold water using hot plate until it 

completely  dissolved.    Cool  the  solution  to  50  oC,  and  dissolve  4  g  of  cobalt  nitrate 

hexahydrate  in  the  liquid.   With  the aid of a dropper,  slowly add 4 mL of 50% acetic acid 

dropwise while  continuous  stirring.    Transfers  the  dark  brown  solutions  into  a  test  tube 

provided then slowly slide it down into the filter flask and attach the aeration tube.  Draw a 

steady  stream  of  air  through  the  solution  for  20  minutes  to  remove  excess  oxides  of 

nitrogen, some product may crystallize out during aeration.   Place the  liquid and any solid 

that has formed (the more vigorous the air current the more material tends to settle out) in 

a beaker surrounded by ice bath.  Add 20 mL of 95% ethanol slowly with agitation, and allow 

the mixture  to  crystallize  in  the  cold  for 20 minutes.   Filter  the orange‐brown product by 

suction and discard the mother liquor into the waste bottle.  Wash the material three times 

with 10 mL of crude ethanol or until the final wash is almost colourless.  Dry the crystals in 

air.  Calculate the percentage yield. 

 

NB: 

Solubility of sodium nitrite in water 89 g/100 mL at 20 oC, thus 12 g should be soluble 

in 12 mL of water above 65 oC. 

Use 100 mL beaker to dissolve sodium nitrite. 

The vacuum tap should be open very slowly. 

Show your product to your demonstrator for marking purpose.   

Solutions, reagents and waste management during and after the practical is expected 

from students. 

Practical 3  

Preparation of tris(2,4‐pentanedionato)cobalt(III) 

Procedure: 

Slurry 2.5 g powdered cobalt(II) carbonate and 20 mL acetylacetone in a 125 mL Erlenmeyer 

flask.  Heat the mixture to about 100 C on a hot plate.  Transfer the flask immediately onto 

a white  tile  and  dropwise  add  15 mL  of  10%  H2O2  at  a  rate  of  2 mL/min while  stirring.  

Reheat the reaction mixture to incipient boiling, and then add 15 mL more of H2O2 as before.  

After addition is complete, heat to boiling. 

Cool  the mixture  in an  ice‐salt bath  for half an hour and  filter  the green‐black sludge with 

suction.  Wash with water (3 x 5 mL) followed by small amounts of cold ethanol (3 x 5 mL).  

The yield should be about 6 g of raw product. 

If time allows recrystallize from toluene (≈20 mL), let it cool at room temperature and filter 

by  gravity.    Otherwise  dry  the  “cold  ethanol  washed  crude  product”  at  110  C  for  15 

minutes. 

The yield of purified dark green crystals (recrystallize from toluene) is expected to be 4.0 to 

4.5 g pure.  Calculate the percentage yield. 

 

NB: 

Show your product to your demonstrator for marking purpose. 

Solutions, reagents and waste management during and after the practical is expected 

from students. 

 

Practical 4  

Reduction of copper(II) chloride to copper(I) chloride  Procedure: 

 

Prepare three solutions: 

(a) Dissolve sodium sulfite (3.3 g) in 50 mL of water. 

(b) Dissolve copper(II) chloride (4.8 g) in 25 mL of water. 

(c) Prepare a sulfurous acid solution by dissolving sodium sulfite (1 g) in 10 mL of water 

and add 12 mL of 2 M hydrochloric acid. 

Add  slowly, with  constant  stirring,  the  sodium  sulfite  solution  to  the  copper(II)  chloride 

solution.  Dilute the suspension of copper(I) chloride so formed with about half the sulfurous 

acid solution, allow the precipitate to settle, and decant most of the supernatant solution.  

Filter the solid by suction on a sintered glass disc and then wash the precipitate on to the 

sinter  with  the  sulfurous  acid  solution.    Take  care  that  the  copper(I)  chloride  is  always 

covered by a layer of solution.  Finally wash the product with portions of glacial acetic acid, 

alcohol, and ether.  Dry the product in a warm oven.  Calculate the percentage yield. 

 

NB: 

Show your product to your demonstrator for marking purpose. 

Copper(I)  chloride  is  generally  prepared  by  reducing  copper(II)  ions  with  sulfur 

dioxide  or  sulfite  ions  in  the  presence  of  chloride  ions.    The  copper(I)  ions  once 

formed, react with chloride ions to form the insoluble copper(I) chloride 

However, copper(I) chloride is slowly oxidized by moist air to give the basic copper(II) 

chloride, CuCl2.3Cu(OH)2, so it must be stored in an air‐tight stoppered container. 

Practical 5  

Preparation of chromium metal by the Thermite Reaction  Procedure: 

Fuse potassium dichromate (1 g)  in a porcelain crucible.   Cool, and grind to a fine powder.  

Ignite  hydrated  chromium(III)  oxide  (4  g),  (note  that  the  bottle may  be  labelled  chromic 

hydroxide), in a porcelain crucible until the green anhydrous chromium(III) oxide is obtained. 

Prepare a mixture containing chromium(III) oxide (2 g), fused potassium dichromate (0.5 g), 

and aluminium powder (1 g).   The reaction will proceed without the potassium dichromate 

but  the  temperature may not be  sufficiently high  to  fuse  the  chromium metal produced.  

This makes recovery more difficult. 

Fill a crucible (4 cm x 7 cm o.d.) to within 1 cm of the rim with powdered calcium fluoride, 

and make an indentation about 2 cm in depth in the centre of the powder with the end of a 

boiling tube.  Place the prepared mixture in this indentation in the calcium fluoride.  Prepare 

an ignition charge of barium peroxide (1 g) and aluminium powder (0.1 g) and place this on 

the  surface of  the  reaction mixture.    Insert  a  short  length of magnesium  ribbon  into  the 

ignition charge to act as a fuse.  Place the crucible in a fume cupboard, surround it vertically 

on four sides with asbestos board and fasten another asbestos board horizontally above the 

asbestos ‘walls’.  During the firing of the charge wear safety goggles or a face mask.  Ignite 

the magnesium ribbon using a micro burner.   There will be some sparking  initially but this 

will quickly cease and the charge will continue to react quite smoothly.  Allow the product to 

cool,  and  carefully  transfer  it  to  a mortar.   Grind  the  product  and  remove  the  bead  (or 

beads) of chromium metal.  Weigh the chromium and calculate the yield. 

Practical 6  

Construction of model crystals (written by Prof M Laing) 

This laboratory exercise is derived from those used in the Department of Chemistry, Purdue 

University, USA for Course 115 (Profs Robinson and Bodner) and 241 (Prof Davenport). 

 

You are given a model consisting of 5 sheets of transparent plastic each of which has drilled 

in it 25 holes.  The coordinates of the sheets in fractions of z are: 

 

0,  1/4,  1/2,  3/4,  4/4  

and within the z sheets, the coordinates of the holes 

 in the fractions of x are:  

0,  1/4,  1/2,  3/4,  4/4  

and in fractions of y are:  

0,  1/4,  1/2,  3/4,  4/4 

 

The x, y coordinates of the hole marked ‘*’ are:  x  =  3/4,  y  =  1/4; its z  =  4/4. 

 

The coordinates for the positions of the spheres will be given as number of quarters: with x 

being given before y, followed by z.  The coordinates of the hole marked ‘*’ thus are:  3, 1, 4. 

 

Models  of  crystal  structures  are made  by  placing  Styrofoam  spheres  at  the  appropriate 

positions in the framework. 

StudentName:_________________________________

StudentNumber: _____________________

 

6.1 

Place atoms at: 

z =   4  :  0.0;  0.4;  4.0;  4.4 

z =   2  :  2.2 

z =   0  :  0.0;  0.4;  4.0;  4.4 

 

(a) What fraction of the atom at (1/2, 1/2, 1/2) is within the cell? 

 

_______________ 

 

(b) What fraction of the atom at (0, 0, 0) or (1, 1, 1) is within the cell? 

 

_______________ 

 

(c) How many atoms are there per unit cell? 

 

                _______________ 

 

(d) How many atoms are in contact with the atom at (1/2, 1/2, 1/2)? 

 

_______________ 

 

(e) The  atoms  at  (0,  0,  0),  (1/2,  1/2,  1/2),  (1,  1,  1)  are  in  contact  along  the  body 

diagonal, b; i.e. b = 4r.  Calculate the volume of the cell in terms of r. 

 

_______________ 

 

(f) What fraction of the unit cell is occupied by atoms? 

 

_______________ 

 

 

6.2  

Place atoms at: 

z = 4  :  0.0;  4.0;  0.4;  4.4 

z = 0  :  0.0;  4.0;  0.4;  4.4 

 

(a) What fraction of the atom at the corner of the cell (0, 0, 0) is within the unit cell? 

_______________ 

 

(b) How many unit cells share the atom at the corner (0, 0, 0)? 

_______________ 

 

(c) How many atoms are there per unit cell? 

_______________ 

 

(d) How many atoms are in contact with an atom at (0, 0, 0)? 

_______________ 

 

(e) If the atoms are in contact along the cell edges, what is the relationship between 

the length of the cell edge (ao) and the radius (r) of the atom? 

________________ 

(f) Given  that  the volume of  the atom  is 4/3r3 and  the volume of  the cell  is ao3, 

calculate what fraction of the unit cell volume is occupied by the atoms.   

________________ 

6.3.   

 

Place white atoms at: 

z =  4  :  0.0;  0.4;  4.0;  4.4;  2.2 

z =  2  :  0.2;  2.0;  4.2;  2.4 

z =  0  :  0.0;  0.4;  4.0;  4.4;  2.2 

 

(a) What fraction of the atom at the centre of the face is within the cell?  

________________ 

 

(b) What is the net number of atoms per face‐centred cubic unit cell? 

 

              ________________ 

 

(c) What is the coordination number of an atom in this face centred cubic unit cell? 

 

________________ 

 

(d) The atoms are  in contact along the face diagonal, d, of the unit cell,  i.e.   d = 4r.  

What is the value of ao, the unit cell edge, in terms of r? 

________________ 

 

(e) What is the volume of the unit cell in terms of r? 

________________ 

 

(f) What is the volume of the cell occupied by atoms (in terms of r)? 

 

________________ 

 

(g) What fraction of the unit cell volume is occupied by the atoms?  

________________ 

 

10 

6.4.  Silicon 

 

Retain the structure from part 6.3; 

add white atoms at: 

z = 1  :  1.1;  3.3 

z = 3  :  3.1;  1.3 

 

  These atoms are now in the silicon structure at below 0 °C. 

 

(a) How many atoms are there per unit cell? 

________________ 

 

(b) The atom at (0, 0, 0) is covalent bonded to the atom at (1/4, 1/4, 1/4), assume the 

SiSi bond distance = 1.54 Å (equal to 1/4 of the body diagonal).  Calculate ao, the 

unit cell edge length in Å. 

               ______________ 

 

(c) What is the coordination number of each Si atom? 

                 _______________ 

 

 

   

  N.B.  Retain this model for part 6.5. 

11 

6.5  Zinc sulfide : blende 

 

Replace all the white atoms at z = 3, and 

z = 1 by red atoms. 

This is the cubic zinc blende (ZnS) structure. 

 

 

(a) What is the coordination number of the atom at (1/4, 1/4, 1/4)?  

________________ 

 

(b) What is the coordination number of the atom at (0, 0, 0)?  

________________ 

 

(c) Assume the Zn atom is at (1/4, 1/4, 1/4) and the S atom is at (0, 0, 0); 

 

(i)  how many S atoms are there per unit cell?  

________________ 

 

(ii)  how many Zn atoms are there per unit cell?     

  ________________ 

12 

6.6  Potassioum chloride (KCl) 

 

Remove the red atoms from the layers z = 1 

and z = 3.  The standard FCC array remains. 

Now add red spheres at the following positions. 

z = 4  :  0.2;  2.0;  2.4;  4.2 

z = 2  :  0.0;  0.4;  4.0;  4.4;  2.2 

z = 0  :  0.2;  2.0;  2.4;  4.2 

 

The pattern  is the sodium chloride structure, face‐centred cubic.   Assume that the red 

spheres are K+ ions, and that the white spheres are Cl ions. 

 

(a) How many Cl are in contact with each K+? 

________________ 

 

(b) How many K+ ions are in contact with each Cl ions? 

________________ 

 

(c) How many Cl ions are there per unit cell? 

________________ 

 

(d) How many K+ ions are there per unit cell? 

________________ 

 

(e) Calculate  the  shortest distance between each pair of Cl  ions  in  terms of  the  cell 

edge ao. 

________________ 

 

(f) Assume  all  the white  spheres  (Cl)  are  in  contact,  i.e.  the  face  diagonal  is  4  x  r.  

What  is  the  radius, R, of  the  cation  in  terms of  r  if  it  just  touches  the  six anions 

arranged around it in an octahedron? 

________________ 

13 

6.7  Caesium chloride structure, CsCl, primitive cubic 

 

  Clear all spheres from the model. 

  Place one red sphere at : z = 2 : 2.2; 

  and 8 white spheres at 

  z = 0  :  0.0;  0.4;  4.0;  4.4 

  z = 4  :  0.0;  0.4;  4.0;  4.4 

 

  Note:  There are two types of atom. 

(a) How many red atoms are there per unit cell? 

 

________________ 

 

(b) How many white atoms are there per unit cell?   

 

________________ 

 

(c) Assume  that  the  Cl  ions  are  at  the  corners  of  the  cube  and  touch  along  the 

edges of the cube; i.e. ao = 2r.  Assume that the Cs+ at (1/2, 1/2, 1/2) is in contact 

with the 8 Cl ions at the corners of the cube. 

 

  Calculate the ratio i.e. radius of Cs+ ion to radius of Cl ion. 

________________ 

 

14 

6.8.  Titanium dioxide ‐ Rutile 

 

 Place red spheres  (M4+) at: 

 z = 3  :  0.0;  0.4;  4.0;  4.4 

 z = 2  :  2.2 

 z = 1  :  0.0;  0.4;  4.0;  4.4 

 and white spheres (O2‐) at 

 z = 3    1.1;  3.3 

 z = 2    3.1;  1.3 

 z = 1    1.1;  3.3 

 

(a) How many O2‐ are in contact with the M4+ at (1/2, 1/2, 1/2)? 

 

________________ 

 

(b) How many M4+ are in contact with each O2‐ at (3/4, 1/4, 1/2)? 

 

________________ 

 

15 

6.9  Fluorspar (Fluorite ‐ CaF2) 

 

  Put 14 white spheres into the model to give a FCC arrangement. 

 

  Now add red spheres at: 

 

  z = 3  :  1.1;  3.1;  1.3;  3.3 

  z = 1  :  1.1;  3.1;  1.3;  3.3 

 

         

   

 

      The white spheres represent Ca2+ cations, and the red spheres represent F anions. 

   

(a) How many Ca2+ ions are in contact with each F ion? 

  

 _______________ 

 

(b) How many F ions touch each Ca2+ ion? 

  

_______________ 

 

(c) How many F ions are there per unit cell? 

 

 _______________ 

 

 

(d) How many Ca2+ ions are there per unit cell? 

 

 _______________