晶体和配合物中微粒配位数的判断

2023-09-19赖小海

高中数理化 2023年16期

关键词：共价键晶胞配位

赖小海

(江西省新余市第四中学)

在教学的过程中,笔者常常发现学生对配位数的概念和数目判断总是很困惑,容易出错.本文从不同类型的晶体和配合物的角度来分析粒子的配位数,引导学生理解并能快速判断出粒子的配位数.

配位数就是指一个粒子周围相邻且最近的粒子个数.物质的配位数与晶体结构或晶胞类型有着密切的关系,且决定了晶体中粒子堆积的紧密程度.粒子排列越紧密,配位数就越大,晶体结构就越稳定.

1 晶体

1.1 分子晶体

在分子晶体中,配位数是指一个分子周围相邻且最近的分子数目.

1)如果分子间作用力只有范德华力,则每个分子的周围最多有12个紧邻的分子,即“分子密堆积”,因此该晶体中分子的配位数为12.例如,干冰的晶胞结构示意图如图1所示.

图1

通过观察并分析干冰的晶胞结构可知:每个CO2分子周围紧邻且等距离的CO2分子有12 个,所以CO2分子的配位数为12.C60、O2、I2、CO、白磷等分子晶体,它们的配位数都是12.

2)如果分子间作用力主要为氢键,由于氢键具有方向性,会迫使在中心的分子与形成氢键方向的分子相互吸引,这一排列使晶体中分子的空间利用率不高,留有相当大的空隙(即分子非密堆积).例如,冰的结构示意图如图2所示.

图2

通过观察并分析冰的结构可知:处于四面体中心的水分子与四面体顶角方向的4个相邻的水分子相互吸引,所以水分子的配位数为4.

图3

A.C60晶体可能具有很高的熔、沸点

B.C60晶体可能易溶于四氯化碳中

C.C60晶体的1个晶胞中含有的碳原子为240个

D.C60晶体中C60的配位数为12

1.2 共价晶体

在共价晶体中,配位数是指一个原子周围相邻且最近的原子的数目.由于共价键具有方向性和饱和性,所以元素的共价数决定了原子的配位数.

1)金刚石型.金刚石(C)的晶体结构和晶胞示意图如图4所示.

图4

在金刚石晶体中,每个碳原子以4根共价单键与相邻的4个碳原子相连,所以C原子的配位数是4.类似的还有晶体硅、锗、灰锡,它们的原子的配位数都是4.

2)二氧化硅型.二氧化硅(SiO2)的晶体结构和晶胞示意图如图5所示.

图5

在二氧化硅晶体中,每个Si原子和4个O 原子相连形成4根共价键,所以Si原子的配位数是4.而每个O 原子和2个Si原子相连形成2根共价键,所以O 原子的配位数是2.

3)碳化硅型.碳化硅(SiC)的晶胞示意图如图6所示.

图6

在SiC 晶体中,每个Si原子和4个C原子相连形成4根共价键,所以Si原子的配位数是4.每个C原子和4个Si原子相连形成4根共价键,所以C原子的配位数也是4.类似的还有BN、AlN、BP,它们的原子的配位数都是4.

图7

A.11BN和10BN 的性质无差异

B.该晶体具有良好的导电性

C.该晶胞中含有4个B原子,4个N 原子

D.该晶胞中B和N 的配位数都是4

1.3 金属晶体

在金属晶体中,配位数是指一个金属原子周围相邻且最近的金属原子的数目.金属单质晶体中金属原子的配位数主要是与金属原子的堆积方式有关.

1)简单立方.其晶胞及配位原子的空间位置示意图如图8所示.

图8

在简单立方晶胞中,每个金属原子周围相邻最近且距离相等的金属原子有6个,所以金属原子的配位数为6.例如,钋等金属原子的配位数为6.

2)面心立方.其晶胞及配位原子的空间位置示意图如图9所示.

图9

在面心立方晶胞中,以面心原子为中心分析,上、中、下三层各有4个金属原子,即每个金属原子周围相邻最近且距离相等的金属原子有12个,故金属原子的配位数为12.例如,Cu、Ag等金属原子的配位数都是12.

3)体心立方.其晶胞及配位原子的空间位置示意图如图10所示.

图10

在体心立方晶胞中,每个金属原子周围相邻最近且距离相等的金属原子有8个,所以金属原子的配位数为8.例如,钠、钾、铬等金属原子的配位数都为8.

4)六方最密堆积.其晶胞及配位原子的空间位置示意图如图11所示.

图11

在六方最密堆积晶胞中,以面心原子为中心分析,上、中、下三层分别有3、6、3个金属原子,即每个金属原子周围相邻最近且距离相等的金属原子有12个,所以金属原子的配位数为12.例如,Zn、Mg、Ti等金属原子的配位数都是12.

图12

A.Fe原子的配位数为4

B.A位置原子的坐标为(0.25,0.75,0.75)

D.晶体储氢时,H2在晶胞的体心和棱的中心位置,若储氢后化学式为FeMg2H,则储氢率为100%

1.4 离子晶体

在离子晶体中,配位数是指一个离子周围相邻且最近的带相反电荷离子的数目.

1)氯化钠型.NaCl的晶胞及配位离子的空间位置示意图如图13所示.

图13

在NaCl晶体中,与Na+相邻最近且距离相等的Cl-有6个,所以Na+的配位数为6.与Cl-相邻最近且距离相等的Na+有6个,所以Cl-的配位数为6.

2)氯化铯型.CsCl的晶胞及配位离子的空间位置示意图如图14所示.

图14

在CsCl晶体中,与Cs+相邻最近且距离相等的Cl-有8个,所以Cs+的配位数为8.与Cl-相邻最近且距离相等的Cs+有8个,所以Cl-的配位数为8.

3)硫化锌型.ZnS 的晶胞示意图如图15所示.

图15

在ZnS 晶体中,与Zn2+相邻最近且距离相等的S2-有4 个,所以Zn2+的配位数为4.与S2-相邻最近且距离相等的Zn2+有4个,所以S2-的配位数也为4.

4)氟化钙型.CaF2的晶胞示意图如图16所示.

图16

在CaF2晶体中,与Ca2+相邻最近且距离相等的F-有8个,所以Ca2+的配位数为8.与F-相邻最近且距离相等的Ca2+有4个,所以F-的配位数为4.

图17

A.Li+在晶胞中的配位数为8

B.Li+和O2-之间只有静电引力

C.Li+和O2-的最短距离为

D.阿伏加德罗常数的值为NA,晶胞密度为

1.5 混合型晶体

混合型晶体的结构特点是层状结构,层与层之间以范德华力维系.每一层的内部通过共价键相结合形成平面结构,因此原子的配位数等于该原子的共价数.混合型晶体最典型的代表是石墨晶体,其三维和二维平面结构示意图如图18所示.

图18

在石墨晶体中,每一层的内部都是通过共价键相结合形成平面六元并环结构,所以每个碳原子与周围的3个碳原子形成3根共价键,碳原子的配位数为3.

图19

g-C3N4中,C 原子的杂化轨道类型为_________,N 原子的配位数为________.

2 配合物

在配位化合物中,配位数是指直接同中心离子(或原子)配位的原子数目,也叫中心离子(或原子)的配位数.

中心离子(或原子)配位数的多少与中心离子(或原子)和配体的性质(如电荷数的多少、体积的大小、电子层结构等)以及形成配合物的条件(如温度、浓度等)有关.因此,不同的金属离子其配位数往往是不同的,即使是同一价态的金属离子的配位数也不是固定不变的.在配合物中,配位数由1到14,其中最常见的配位数为2、4、6.

2.1 配位数等于配体的数目

当中心离子(或原子)与单基配体配位时,其配位数等于配体的数目.例如,配合物[Ag(NH3)2]OH、[Ag(CN)2]NO3中Ag+的配位数均为2;配合物[Cu(H2O)4]Cl2、[Cu(NH3)4]SO4中Cu2+的配位数均为4;配合物K3[Fe(CN)6]、K3[Fe(SCN)6]、K3[FeF6]中Fe3+的配位数均为6;Ni(CO)4、Fe(CO)5、Cr(CO)6等羰基化合物中,中心原子Ni、Fe、Cr的配位数分别为4、5、6.

当中心离子(或原子)与多种单基配体配位时,其配位数等于配体数目的总和.例如,配合物[Co(NH3)4(H2O)2]Cl2中Co2+的配位数为6;配合物[CrCl(H2O)5]Cl2中Cr3+的配位数为6.

2.2 配位数等于配体数目的2倍

当中心离子(或原子)与双基配体配位时,配位数等于配体数目的2倍.例如,配合物[Cu(NH2CH2CH2NH2)2]2+中 NH2CH2CH2NH2属于双基配体,每个乙二胺(NH2CH2CH2NH2)分子中有2个N 原子与Cu2+配位,形成2个配位键,所以Cu2+的配位数为4.

2.3 特殊情况

在有配位键的非配合物中,中心离子(或原子)同时以共价键和配位键与其他原子(或离子)相结合,其配位数不等于配位键的数目.例如,在[B(OH)4]-、[Al(OH)4]-、[BF4]-、[AlCl4]-、Al2Cl6这5种微粒中,中心离子(或原子)都是用3根共价键和1根配位键与其他原子(或离子)结合的.Al2Cl6的结构式如图20所示.所以Al的配位数是4.