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Acta Cryst. (2013). E69, i47    [ doi:10.1107/S1600536813018540 ]

K0.78Na0.22MoO2AsO4

R. Jouini, C. Bouzidi, M. F. Zid and A. Driss

Abstract top

The title compound, potassium sodium dioxidomolybdenum(VI) arsenate, K0.78Na0.22MoO2AsO4, was synthesized by a solid-state reaction route. The structure is built up from corner-sharing MoO6 octahedra and AsO4 tetrahedra, creating infinite [MoAsO8][infinity] chains running along the b-axis direction. As, Mo and all but one O atom are on special positions (4c) with m symmetry and K (occupancy 0.78) is on a position (4a) of -1 in the tunnels. The possible motion of the alkali cations has been investigated by means of the bond-valance sum (BVS) model. The simulation shows that the Na+ motion appears to be easier mainly along the b-axis direction. Structural relationships between the different compounds of the AMoO2AsO4 (A = Ag, Li, Na, K, Rb) series and MXO8 (M = V; X = P, As) chains are discussed.

Comment top

Plusieurs travaux ont été consacrés à l'étude des matériaux inorganiques à charpentes ouvertes formées de tétraèdres et d'octaèdres. En effet, ces composés constituent un champ prometteur pour diverses applications. Ils possèdent aussi des propriétés de conduction ionique (Gueho et al., 1993) et d'échange d'ions (Piffard et al., 1985) assez performantes.

A titre de contribution à l'étude de ces types de matériaux, nous avons poursuivi l'exploration des systèmes A—Mo—As—O (A= Na, K) dans lesquels nous avons pu précédemment isoler les phases suivantes: Na2MoO2As2O7 (Jouini et al., 2012) et K(MoO2)4O3(AsO4) (Jouini et al., 2013).

Nos tentatives de synthèse, nous ont permis de trouver un matériau mixte de potassium et de sodium de formulaion K0.78Na0.22MoO2AsO4. Ce dernier appartenant à la famille des monoarséniates de formulation AMoO2AsO4 (A= cation monovalent).

L'unité asymétrique dans la structure est construite à partir d'un octaèdre MoO6 et d'un tétraèdre AsO4 partageant un sommet (Fig. 1). Ces unités se lient les unes aux autres selon la direction [010] formant des chaînes de formulation (MoAsO8). Ces dernières s'associent par paires pour former des doubles chaînes de type Mo2As2O14 disposées selon la direction b (Fig. 2). Une disposition particulière de ces doubles chaînes permet, par mise en commun de sommets entre polyèdres de nature différente, de développer des rubans parallèles à la direction b (Fig. 3). La jonction de ces derniers par formation de ponts mixtes Mo—O—As conduit à une charpente tridimensionnelle possédant de larges canaux où résident les cations monovalents (Fig. 4).

Le calcul des différentes valences des liaisons utilisant la formule empirique de Brown (Brown & Altermatt, 1985) conduit aux valeurs suivantes: Mo1(6,109), As1(5,048) et Na1(0,935) ce qui confirme les degrés d'oxydation des différents ions dans la phase étudiée. Le concept BVS permet de déterminer les chemins de migration les plus probables des cations alcalins. Ce concept est détaillé dans des travaux antérieurs (Ouerfelli et al., 2007; Ben Smida et al., 2013). Ce modèle permet de montrer que la direction [010] est la plus favorable pour la mobilité du sodium. En effet, la valence maximale Vmax selon la direction b est au voisinge de 1,05 u.v. (unité de valence) pour une distance de migration de l'ordre de 16 Å (Fig. 5a). Pour les autres directions, les valences calculées sont élevées (Vmax > 2 u.v.) pour une distance courte de migration de 2 Å, le cation mobile rencontre donc des barrières énergétiques excercées par la charpente anionique. Par contre, le potassium de grande taille, occupant une position spéciale est piégé dans les canaux. En effet, pour des distances courtes parcourues de l'ordre de 1 Å, la valence calculée est de l'ordre de 2 u.v. (Fig. 5 b). Ainsi pour migrer d'une position à une autre plus proche selon cette direction [010], le cation K+ doit franchir un mur de potentiel de valence maximale de 2 u.v. pour cette direction de migration. Par conséquent, il peut diminuer aussi la mobilité des cations Na+. Notons que l'intéraction répulsive entre les deux cations n'est pas évaluée par le modèle BVS dont l'une des limites est de tenir compte seulement de l'intéraction avec le réseau anionique. Ce concept ne tiend pas compte des intéractions cation-cation et anion-anion dans la structure cristalline comme dans le cas des travaux de (Ben Amor et al., 2008).

L'étude structurale et l'analyse BVS permettent de conclure que la conduction dans ce matériau est probablement unidimensionnelle et dirigée selon l'axe b (Fig. 6).

L'examen des structures dans la série AMoO2AsO4 (A= cation monovalent) revèle que le cation monovalent a un rôle important dans l'arrangement structural. En effet, la substitution d'un cation monovalent par un autre plus petit peut conduire à différents systèmes cristallins centrosymétriques: (KMoO2AsO4, groupe d'espace Pnma (Zid & Jouini, 1996); β-NaMoO2AsO4, groupe Pnma (Ben Hlila et al., 2009); RbMoO2AsO4, groupe Fddd (Zid & Jouini, 1999); AgMoO2AsO4, groupe Pnma (Hajji & Zid, 2006)). De plus, ce remplacement mène à des composés non-centrosymétriques (LiMoO2AsO4, groupe Pn21a (Linnros, 1970); NaMoO2AsO4, groupe Pca21 (Zid et al., 1997); β-LiMoO2AsO4, groupe P21 (Hajji et al., 2004)). Ce balayage bibliographique montre que notre charpente est isostructurale aux matériaux KMoO2AsO4, AgMoO2AsO4 et β-NaMoO2AsO4. Elles diffèrent seulement par la disposition des cations monovalents dans la structure. Ce matériau mixte est construit aussi à partir de chaînes MoAsO8. Ce type de chaînes MXO8 est observé sous forme de VXO8 (X= P, As) dans d'autres composés rencontrés dans la bibliographie notamment: K2V2O2(AsO4)2 (Belkhiri et al., 2012); KVPO5 (Benhamada et al., 1991) et CaV2O(PO4)2 (Boudin et al., 1995). Dans K2V2O2(AsO4)2 et KVPO5, les chaînes (VXO8) se propagent selon les deux directions a et c dans lesquelles les tétraèdres AsO4 partagent leurs sommets avec quatre octaèdres VO6 et où les octaèdres VO6 se lient à quatre tétraèdres AsO4 et à deux octaèdres VO6 pour conduire à des chaînes infinies (VO3). Cette association conduit à une structure tridimensionnelle. Contrairement à notre structure où les chaînes (MoAsO8) se connectent par paires formant des chaînes doubles Mo2As2O14. D'autre part, dans CaV2O(PO4)2, les chaînes (VPO8) se lient entre elles formant des doubles chaînes de type M2X2O14 (M=V, Mo et X=P, As) similaires à celles rencontrées dans K0.78Na0.22MoO2AsO4. Ces dernières se connectent à d'autres chaînes de type (VO4) pour former des couches qui s'associent à leur tour pour conduire à une structure tridimensionnelle dans CaV2O(PO4)2.

Related literature top

For background to the physico-chemical properties of related compounds, see: Gueho et al. (1993); Piffard et al. (1985). For details of structurally related compounds, see: Zid & Jouini (1996, 1999); Ben Hlila et al. (2009); Hajji & Zid (2006); Linnros (1970); Zid et al. (1997); Hajji et al. (2004); Belkhiri et al. (2012); Benhamada et al. (1991); Boudin et al. (1995). For the preparation, see: Jouini et al. (2012, 2013). For BVS pathway simulation, see: Ouerfelli et al. (2007); Ben Smida et al. (2013); Ben Amor et al. (2008). For bond-valence-sum calculations, see: Brown & Altermatt (1985).

Experimental top

Un mélange de K2CO3 (Fluka, 69858), Na2CO3 (Prolabo, 27778), (NH4)2Mo4O13 (Fluka, 69858) et NH4H2AsO4 (préparé au laboratoire, ASTM 01–775) pris dans les proportions K:Na:Mo:As=1:1:2:2 a été finement broyé dans un mortier en agate. Il a été mis dans un creuset et calciné à 573 K pendant 12 heures. Après refroidissement, le mélange a été de nouveau finement broyé puis porté à 803 K et maintenu à cette température pendant 4 jours. Le résidu final est refroidi lentement (5°K/demi journée, à 743 K) puis rapide (50°K/h) jusqu'à la température ambiante. Des cristaux jaunâtres sont apparus. Ils sont lavés à l'eau chaude afin de les séparer du flux. Les cristaux ont été ensuite triés sous une loupe binoculaire et l'échantillon sélectionné pour la collecte des données a été choisi après examen sous un microscope à lumière polarisée. L'analyse qualitative par la microscopie électronique à balayage de type FEI Quanta 200 d'un cristal sélectionné, confirme la présence des différents éléments chimiques attendus notamment: As, K, Mo, Na et l'oxygène.

Refinement top

L'utilisation de la fonction SUMP autorisée par le programme SHELX, pour les deux ions K1 et Na1 conduit à des ellipsoïdes bien définis. De plus, les densités d'électrons maximum et minimum restants dans la Fourier-différence sont acceptables et sont situées respectivements à 0,38 Å de O5 et à 1,05 Å de O4. S'il y a plus de deux composants d'un atome ou d'un groupe désordonné, il est nécessaire d'appliquer la fonction SUMP autorisée par le programme SHELX, utilisée pour représenter les taux d'occupation des variables libres. En effet, la fonction SUMP peut être appliquée aux valeurs d'entrée afin d'éviter les instabilités durant les étapes d'affinement. A cet effet, ces valeurs affinées sont affectées de numéros de paramètres immédiatement après les variables libres.

Computing details top

Data collection: CAD-4 EXPRESS (Duisenberg, 1992; Macíček & Yordanov, 1992); cell refinement: CAD-4 EXPRESS (Duisenberg, 1992; Macíček & Yordanov, 1992); data reduction: XCAD4 (Harms & Wocadlo, 1995); program(s) used to solve structure: SHELXS97 (Sheldrick, 2008); program(s) used to refine structure: SHELXL97 (Sheldrick, 2008); molecular graphics: Diamond (Brandenburg, 1998); software used to prepare material for publication: WinGX publication routines (Farrugia, 2012).

Figures top
[Figure 1] Fig. 1. : Unité asymétrique dans K0.78Na0.22MoO2AsO4 Les ellipsoïdes ont été définis avec 50% de probabilités. [codes de symétrie:(i) x, y, -1 + z; (ii) x, 1/2 - y, z; (iii) 1/2 - x, -y, -1/2 + z; (iv) 1/2 - x, 1/2 + y, -1/2 + z; (v) -1/2 + x, 1/2 - y, 1/2 - z].
[Figure 2] Fig. 2. : Projection des chaînes doubles Mo2As2O14 selon la direction [010].
[Figure 3] Fig. 3. : Projection des rubans disposés parallèlement à la direction b.
[Figure 4] Fig. 4. : Projection de la structure de K0.78Na0.22MoO2AsO4 selon b, mettant en évidence les canaux où logent les cations K+ et Na+.
[Figure 5] Fig. 5. : Variation de la valence en fonction de la distance parcourue pour les cations: (a) Na+, (b) K+.
[Figure 6] Fig. 6. : Modélisation du chemin de conduction des cations Na+ selon b.
Potassium sodium dioxidomolybdenum(VI) arsenate top
Crystal data top
K0.78Na0.22MoO2AsO4F(000) = 561
Mr = 302.47Dx = 4.117 Mg m3
Orthorhombic, PnmaMo Kα radiation, λ = 0.71073 Å
Hall symbol: -P 2ac 2nCell parameters from 25 reflections
a = 10.5672 (9) Åθ = 10–15°
b = 6.6323 (8) ŵ = 10.05 mm1
c = 6.9621 (8) ÅT = 298 K
V = 487.94 (9) Å3Prism, yellow
Z = 40.45 × 0.33 × 0.23 mm
Data collection top
Enraf–Nonius CAD-4
diffractometer
553 reflections with I > 2σ(I)
Radiation source: fine-focus sealed tubeRint = 0.037
Graphite monochromatorθmax = 27.0°, θmin = 3.5°
ω/2θ scansh = 113
Absorption correction: ψ scan
(North et al., 1968)
k = 18
Tmin = 0.025, Tmax = 0.098l = 88
1413 measured reflections2 standard reflections every 120 min
576 independent reflections intensity decay: 1.2%
Refinement top
Refinement on F2Primary atom site location: structure-invariant direct methods
Least-squares matrix: fullSecondary atom site location: difference Fourier map
R[F2 > 2σ(F2)] = 0.025 w = 1/[σ2(Fo2) + (0.0355P)2 + 0.6861P]
where P = (Fo2 + 2Fc2)/3
wR(F2) = 0.067(Δ/σ)max < 0.001
S = 1.17Δρmax = 0.64 e Å3
576 reflectionsΔρmin = 1.13 e Å3
64 parametersExtinction correction: SHELXL, Fc*=kFc[1+0.001xFc2λ3/sin(2θ)]-1/4
1 restraintExtinction coefficient: 0.041 (2)
Crystal data top
K0.78Na0.22MoO2AsO4V = 487.94 (9) Å3
Mr = 302.47Z = 4
Orthorhombic, PnmaMo Kα radiation
a = 10.5672 (9) ŵ = 10.05 mm1
b = 6.6323 (8) ÅT = 298 K
c = 6.9621 (8) Å0.45 × 0.33 × 0.23 mm
Data collection top
Enraf–Nonius CAD-4
diffractometer
553 reflections with I > 2σ(I)
Absorption correction: ψ scan
(North et al., 1968)
Rint = 0.037
Tmin = 0.025, Tmax = 0.098θmax = 27.0°
1413 measured reflections2 standard reflections every 120 min
576 independent reflections intensity decay: 1.2%
Refinement top
R[F2 > 2σ(F2)] = 0.025Δρmax = 0.64 e Å3
wR(F2) = 0.067Δρmin = 1.13 e Å3
S = 1.17Absolute structure: ?
576 reflectionsAbsolute structure parameter: ?
64 parametersRogers parameter: ?
1 restraint
Special details top

Geometry. All e.s.d.'s (except the e.s.d. in the dihedral angle between two l.s. planes) are estimated using the full covariance matrix. The cell e.s.d.'s are taken into account individually in the estimation of e.s.d.'s in distances, angles and torsion angles; correlations between e.s.d.'s in cell parameters are only used when they are defined by crystal symmetry. An approximate (isotropic) treatment of cell e.s.d.'s is used for estimating e.s.d.'s involving l.s. planes.

Refinement. Refinement of F2 against ALL reflections. The weighted R-factor wR and goodness of fit S are based on F2, conventional R-factors R are based on F, with F set to zero for negative F2. The threshold expression of F2 > σ(F2) is used only for calculating R-factors(gt) etc. and is not relevant to the choice of reflections for refinement. R-factors based on F2 are statistically about twice as large as those based on F, and R- factors based on ALL data will be even larger.

Fractional atomic coordinates and isotropic or equivalent isotropic displacement parameters (Å2) top
xyzUiso*/UeqOcc. (<1)
Mo10.33773 (3)0.25000.04848 (5)0.0073 (2)
As10.15597 (4)0.25000.46230 (6)0.0063 (2)
K10.00000.00001.00000.026 (2)0.78 (4)
Na10.019 (4)0.004 (7)0.909 (13)0.045 (8)0.11 (2)
O10.4059 (3)0.25000.8266 (5)0.0162 (7)
O20.5287 (3)0.25000.1823 (5)0.0112 (6)
O30.1832 (3)0.25000.9890 (5)0.0221 (8)
O40.1507 (2)0.0449 (4)0.6066 (3)0.0135 (5)
O50.2973 (3)0.25000.3516 (4)0.0108 (6)
Atomic displacement parameters (Å2) top
U11U22U33U12U13U23
Mo10.0091 (3)0.0092 (3)0.0037 (3)0.0000.00043 (12)0.000
As10.0082 (3)0.0069 (3)0.0038 (3)0.0000.00037 (14)0.000
K10.0228 (19)0.0218 (13)0.034 (5)0.0057 (8)0.0014 (16)0.0102 (19)
Na10.050 (17)0.039 (15)0.05 (2)0.019 (11)0.011 (16)0.025 (18)
O10.0176 (15)0.0227 (17)0.0082 (15)0.0000.0042 (12)0.000
O20.0107 (12)0.0181 (16)0.0047 (14)0.0000.0007 (13)0.000
O30.0126 (14)0.042 (2)0.0118 (16)0.0000.0015 (14)0.000
O40.0235 (13)0.0091 (10)0.0079 (10)0.0024 (8)0.0005 (9)0.0024 (8)
O50.0081 (13)0.0167 (15)0.0076 (14)0.0000.0014 (11)0.000
Geometric parameters (Å, º) top
Mo1—O3i1.685 (3)K1—O2viii2.781 (3)
Mo1—O1i1.704 (3)K1—O5vii2.899 (2)
Mo1—O4ii2.001 (2)K1—O5viii2.899 (2)
Mo1—O4iii2.001 (2)K1—O1viii2.985 (3)
Mo1—O52.153 (3)K1—O1vii2.985 (3)
Mo1—O22.223 (3)K1—O4vi3.182 (2)
As1—O2iv1.680 (3)K1—O43.182 (2)
As1—O51.681 (3)Na1—O2viii2.36 (5)
As1—O4v1.692 (2)Na1—O32.45 (3)
As1—O41.692 (2)Na1—O42.54 (9)
K1—O3vi2.550 (3)Na1—O5viii2.60 (4)
K1—O32.550 (3)Na1—O1vii2.61 (7)
K1—O2vii2.781 (3)Na1—O3vi2.81 (6)
O3i—Mo1—O1i100.77 (16)O5viii—K1—O1viii73.00 (8)
O3i—Mo1—O4ii96.26 (7)O3vi—K1—O1vii97.53 (8)
O1i—Mo1—O4ii99.06 (7)O3—K1—O1vii82.47 (8)
O3i—Mo1—O4iii96.26 (7)O2vii—K1—O1vii108.13 (6)
O1i—Mo1—O4iii99.06 (7)O2viii—K1—O1vii71.87 (6)
O4ii—Mo1—O4iii155.61 (13)O5vii—K1—O1vii73.00 (8)
O3i—Mo1—O592.79 (14)O5viii—K1—O1vii107.00 (8)
O1i—Mo1—O5166.44 (13)O3vi—K1—O4vi62.19 (9)
O4ii—Mo1—O579.28 (7)O3—K1—O4vi117.81 (9)
O4iii—Mo1—O579.28 (7)O2vii—K1—O4vi54.95 (7)
O3i—Mo1—O2169.45 (15)O2viii—K1—O4vi125.05 (7)
O1i—Mo1—O289.78 (14)O5vii—K1—O4vi51.47 (6)
O4ii—Mo1—O281.94 (6)O5viii—K1—O4vi128.53 (6)
O4iii—Mo1—O281.94 (6)O1viii—K1—O4vi57.25 (7)
O5—Mo1—O276.66 (12)O1vii—K1—O4vi122.75 (7)
O2iv—As1—O5115.90 (16)O3vi—K1—O4117.81 (9)
O2iv—As1—O4v109.23 (9)O3—K1—O462.19 (9)
O5—As1—O4v107.55 (9)O2vii—K1—O4125.05 (7)
O2iv—As1—O4109.23 (10)O2viii—K1—O454.95 (7)
O5—As1—O4107.55 (9)O5vii—K1—O4128.53 (6)
O4v—As1—O4107.03 (16)O5viii—K1—O451.47 (6)
O3vi—K1—O2vii116.53 (10)O1viii—K1—O4122.75 (7)
O3—K1—O2vii63.47 (10)O1vii—K1—O457.25 (7)
O3vi—K1—O2viii63.47 (10)O2viii—Na1—O3141 (4)
O3—K1—O2viii116.53 (10)O2viii—Na1—O469 (2)
O3vi—K1—O5vii78.48 (7)O3—Na1—O474.2 (19)
O3—K1—O5vii101.52 (7)O2viii—Na1—O5viii66.1 (13)
O2vii—K1—O5vii57.05 (9)O3—Na1—O5viii86.5 (11)
O2viii—K1—O5vii122.95 (9)O4—Na1—O5viii62.1 (16)
O3vi—K1—O5viii101.52 (7)O2viii—Na1—O1vii86 (2)
O3—K1—O5viii78.48 (7)O3—Na1—O1vii93 (2)
O2vii—K1—O5viii122.95 (9)O4—Na1—O1vii70 (2)
O2viii—K1—O5viii57.05 (9)O5viii—Na1—O1vii131 (4)
O3vi—K1—O1viii82.47 (8)O2viii—Na1—O3vi65.1 (9)
O3—K1—O1viii97.53 (8)O3—Na1—O3vi152 (4)
O2vii—K1—O1viii71.87 (6)O4—Na1—O3vi134 (2)
O2viii—K1—O1viii108.13 (6)O5viii—Na1—O3vi102.7 (16)
O5vii—K1—O1viii107.00 (8)O1vii—Na1—O3vi100.6 (10)
Symmetry codes: (i) x, y, z1; (ii) x+1/2, y+1/2, z1/2; (iii) x+1/2, y, z1/2; (iv) x1/2, y, z+1/2; (v) x, y+1/2, z; (vi) x, y, z+2; (vii) x1/2, y, z+3/2; (viii) x+1/2, y, z+1/2.

Experimental details

Crystal data
Chemical formulaK0.78Na0.22MoO2AsO4
Mr302.47
Crystal system, space groupOrthorhombic, Pnma
Temperature (K)298
a, b, c (Å)10.5672 (9), 6.6323 (8), 6.9621 (8)
V3)487.94 (9)
Z4
Radiation typeMo Kα
µ (mm1)10.05
Crystal size (mm)0.45 × 0.33 × 0.23
Data collection
DiffractometerEnraf–Nonius CAD-4
diffractometer
Absorption correctionψ scan
(North et al., 1968)
Tmin, Tmax0.025, 0.098
No. of measured, independent and
observed [I > 2σ(I)] reflections
1413, 576, 553
Rint0.037
(sin θ/λ)max1)0.638
Refinement
R[F2 > 2σ(F2)], wR(F2), S 0.025, 0.067, 1.17
No. of reflections576
No. of parameters64
No. of restraints1
Δρmax, Δρmin (e Å3)0.64, 1.13

Computer programs: CAD-4 EXPRESS (Duisenberg, 1992; Macíček & Yordanov, 1992), XCAD4 (Harms & Wocadlo, 1995), SHELXS97 (Sheldrick, 2008), SHELXL97 (Sheldrick, 2008), Diamond (Brandenburg, 1998), WinGX publication routines (Farrugia, 2012).

references
References top

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Ben Amor, R., Guesmi, A., Mazza, D. & Zid, M. F. (2008). J. Soc. Chim. Tunis. 10, 83–92.

Benhamada, L., Grandin, A., Borel, M. M., Leclaire, A. & Raveau, B. (1991). Acta Cryst. C47, 1138–1141.

Ben Hlila, S., Zid, M. F. & Driss, A. (2009). Acta Cryst. E65, i11.

Ben Smida, Y., Guesmi, A. & Driss, A. (2013). Acta Cryst. E69, i39.

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