晶體和配合物中微粒配位數(shù)的判斷

賴小海

(江西省新余市第四中學(xué))

在教學(xué)的過(guò)程中,筆者常常發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)配位數(shù)的概念和數(shù)目判斷總是很困惑,容易出錯(cuò).本文從不同類型的晶體和配合物的角度來(lái)分析粒子的配位數(shù),引導(dǎo)學(xué)生理解并能快速判斷出粒子的配位數(shù).

配位數(shù)就是指一個(gè)粒子周圍相鄰且最近的粒子個(gè)數(shù).物質(zhì)的配位數(shù)與晶體結(jié)構(gòu)或晶胞類型有著密切的關(guān)系,且決定了晶體中粒子堆積的緊密程度.粒子排列越緊密,配位數(shù)就越大,晶體結(jié)構(gòu)就越穩(wěn)定.

1 晶體

1.1 分子晶體

在分子晶體中,配位數(shù)是指一個(gè)分子周圍相鄰且最近的分子數(shù)目.

1)如果分子間作用力只有范德華力,則每個(gè)分子的周圍最多有12個(gè)緊鄰的分子,即“分子密堆積”,因此該晶體中分子的配位數(shù)為12.例如,干冰的晶胞結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示.

圖1

通過(guò)觀察并分析干冰的晶胞結(jié)構(gòu)可知:每個(gè)CO2分子周圍緊鄰且等距離的CO2分子有12 個(gè),所以CO2分子的配位數(shù)為12.C60、O2、I2、CO、白磷等分子晶體,它們的配位數(shù)都是12.

2)如果分子間作用力主要為氫鍵,由于氫鍵具有方向性,會(huì)迫使在中心的分子與形成氫鍵方向的分子相互吸引,這一排列使晶體中分子的空間利用率不高,留有相當(dāng)大的空隙(即分子非密堆積).例如,冰的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示.

圖2

通過(guò)觀察并分析冰的結(jié)構(gòu)可知:處于四面體中心的水分子與四面體頂角方向的4個(gè)相鄰的水分子相互吸引,所以水分子的配位數(shù)為4.

圖3

A.C60晶體可能具有很高的熔、沸點(diǎn)

B.C60晶體可能易溶于四氯化碳中

C.C60晶體的1個(gè)晶胞中含有的碳原子為240個(gè)

D.C60晶體中C60的配位數(shù)為12

1.2 共價(jià)晶體

在共價(jià)晶體中,配位數(shù)是指一個(gè)原子周圍相鄰且最近的原子的數(shù)目.由于共價(jià)鍵具有方向性和飽和性,所以元素的共價(jià)數(shù)決定了原子的配位數(shù).

1)金剛石型.金剛石(C)的晶體結(jié)構(gòu)和晶胞示意圖如圖4所示.

圖4

在金剛石晶體中,每個(gè)碳原子以4根共價(jià)單鍵與相鄰的4個(gè)碳原子相連,所以C原子的配位數(shù)是4.類似的還有晶體硅、鍺、灰錫,它們的原子的配位數(shù)都是4.

2)二氧化硅型.二氧化硅(SiO2)的晶體結(jié)構(gòu)和晶胞示意圖如圖5所示.

圖5

在二氧化硅晶體中,每個(gè)Si原子和4個(gè)O 原子相連形成4根共價(jià)鍵,所以Si原子的配位數(shù)是4.而每個(gè)O 原子和2個(gè)Si原子相連形成2根共價(jià)鍵,所以O(shè) 原子的配位數(shù)是2.

3)碳化硅型.碳化硅(SiC)的晶胞示意圖如圖6所示.

圖6

在SiC 晶體中,每個(gè)Si原子和4個(gè)C原子相連形成4根共價(jià)鍵,所以Si原子的配位數(shù)是4.每個(gè)C原子和4個(gè)Si原子相連形成4根共價(jià)鍵,所以C原子的配位數(shù)也是4.類似的還有BN、AlN、BP,它們的原子的配位數(shù)都是4.

圖7

A.11BN和10BN 的性質(zhì)無(wú)差異

B.該晶體具有良好的導(dǎo)電性

C.該晶胞中含有4個(gè)B原子,4個(gè)N 原子

D.該晶胞中B和N 的配位數(shù)都是4

1.3 金屬晶體

在金屬晶體中,配位數(shù)是指一個(gè)金屬原子周圍相鄰且最近的金屬原子的數(shù)目.金屬單質(zhì)晶體中金屬原子的配位數(shù)主要是與金屬原子的堆積方式有關(guān).

1)簡(jiǎn)單立方.其晶胞及配位原子的空間位置示意圖如圖8所示.

圖8

在簡(jiǎn)單立方晶胞中,每個(gè)金屬原子周圍相鄰最近且距離相等的金屬原子有6個(gè),所以金屬原子的配位數(shù)為6.例如,釙等金屬原子的配位數(shù)為6.

2)面心立方.其晶胞及配位原子的空間位置示意圖如圖9所示.

圖9

在面心立方晶胞中,以面心原子為中心分析,上、中、下三層各有4個(gè)金屬原子,即每個(gè)金屬原子周圍相鄰最近且距離相等的金屬原子有12個(gè),故金屬原子的配位數(shù)為12.例如,Cu、Ag等金屬原子的配位數(shù)都是12.

3)體心立方.其晶胞及配位原子的空間位置示意圖如圖10所示.

圖10

在體心立方晶胞中,每個(gè)金屬原子周圍相鄰最近且距離相等的金屬原子有8個(gè),所以金屬原子的配位數(shù)為8.例如,鈉、鉀、鉻等金屬原子的配位數(shù)都為8.

4)六方最密堆積.其晶胞及配位原子的空間位置示意圖如圖11所示.

圖11

在六方最密堆積晶胞中,以面心原子為中心分析,上、中、下三層分別有3、6、3個(gè)金屬原子,即每個(gè)金屬原子周圍相鄰最近且距離相等的金屬原子有12個(gè),所以金屬原子的配位數(shù)為12.例如,Zn、Mg、Ti等金屬原子的配位數(shù)都是12.

圖12

A.Fe原子的配位數(shù)為4

B.A位置原子的坐標(biāo)為(0.25,0.75,0.75)

D.晶體儲(chǔ)氫時(shí),H2在晶胞的體心和棱的中心位置,若儲(chǔ)氫后化學(xué)式為FeMg2H,則儲(chǔ)氫率為100%

1.4 離子晶體

在離子晶體中,配位數(shù)是指一個(gè)離子周圍相鄰且最近的帶相反電荷離子的數(shù)目.

1)氯化鈉型.NaCl的晶胞及配位離子的空間位置示意圖如圖13所示.

圖13

在NaCl晶體中,與Na+相鄰最近且距離相等的Cl-有6個(gè),所以Na+的配位數(shù)為6.與Cl-相鄰最近且距離相等的Na+有6個(gè),所以Cl-的配位數(shù)為6.

2)氯化銫型.CsCl的晶胞及配位離子的空間位置示意圖如圖14所示.

圖14

在CsCl晶體中,與Cs+相鄰最近且距離相等的Cl-有8個(gè),所以Cs+的配位數(shù)為8.與Cl-相鄰最近且距離相等的Cs+有8個(gè),所以Cl-的配位數(shù)為8.

3)硫化鋅型.ZnS 的晶胞示意圖如圖15所示.

圖15

在ZnS 晶 體 中,與Zn2+相鄰最近且距離相等 的S2-有4 個(gè),所 以Zn2+的配位數(shù)為4.與S2-相鄰最近且距離相等的Zn2+有4個(gè),所以S2-的配位數(shù)也為4.

4)氟化鈣型.CaF2的晶胞示意圖如圖16所示.

圖16

在CaF2晶體中,與Ca2+相鄰最近且距離相等的F-有8個(gè),所以Ca2+的配位數(shù)為8.與F-相鄰最近且距離相等的Ca2+有4個(gè),所以F-的配位數(shù)為4.

圖17

A.Li+在晶胞中的配位數(shù)為8

B.Li+和O2-之間只有靜電引力

C.Li+和O2-的最短距離為

D.阿伏加德羅常數(shù)的值為NA,晶胞密度為

1.5 混合型晶體

混合型晶體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是層狀結(jié)構(gòu),層與層之間以范德華力維系.每一層的內(nèi)部通過(guò)共價(jià)鍵相結(jié)合形成平面結(jié)構(gòu),因此原子的配位數(shù)等于該原子的共價(jià)數(shù).混合型晶體最典型的代表是石墨晶體,其三維和二維平面結(jié)構(gòu)示意圖如圖18所示.

圖18

在石墨晶體中,每一層的內(nèi)部都是通過(guò)共價(jià)鍵相結(jié)合形成平面六元并環(huán)結(jié)構(gòu),所以每個(gè)碳原子與周圍的3個(gè)碳原子形成3根共價(jià)鍵,碳原子的配位數(shù)為3.

圖19

g-C3N4中,C 原子的雜化軌道類型為_________,N 原子的配位數(shù)為________.

2 配合物

在配位化合物中,配位數(shù)是指直接同中心離子(或原子)配位的原子數(shù)目,也叫中心離子(或原子)的配位數(shù).

中心離子(或原子)配位數(shù)的多少與中心離子(或原子)和配體的性質(zhì)(如電荷數(shù)的多少、體積的大小、電子層結(jié)構(gòu)等)以及形成配合物的條件(如溫度、濃度等)有關(guān).因此,不同的金屬離子其配位數(shù)往往是不同的,即使是同一價(jià)態(tài)的金屬離子的配位數(shù)也不是固定不變的.在配合物中,配位數(shù)由1到14,其中最常見(jiàn)的配位數(shù)為2、4、6.

2.1 配位數(shù)等于配體的數(shù)目

當(dāng)中心離子(或原子)與單基配體配位時(shí),其配位數(shù)等于配體的數(shù)目.例如,配合物[Ag(NH3)2]OH、[Ag(CN)2]NO3中Ag+的配位數(shù)均為2;配合物[Cu(H2O)4]Cl2、[Cu(NH3)4]SO4中Cu2+的配位數(shù)均為4;配合物K3[Fe(CN)6]、K3[Fe(SCN)6]、K3[FeF6]中Fe3+的配位數(shù)均為6;Ni(CO)4、Fe(CO)5、Cr(CO)6等羰基化合物中,中心原子Ni、Fe、Cr的配位數(shù)分別為4、5、6.

當(dāng)中心離子(或原子)與多種單基配體配位時(shí),其配位數(shù)等于配體數(shù)目的總和.例如,配合物[Co(NH3)4(H2O)2]Cl2中Co2+的配位數(shù)為6;配合物[CrCl(H2O)5]Cl2中Cr3+的配位數(shù)為6.

2.2 配位數(shù)等于配體數(shù)目的2倍

當(dāng)中心離子(或原子)與雙基配體配位時(shí),配位數(shù)等于配體數(shù)目的2倍.例如,配合物[Cu(NH2CH2CH2NH2)2]2+中 NH2CH2CH2NH2屬于雙基配體,每個(gè)乙二胺(NH2CH2CH2NH2)分子中有2個(gè)N 原子與Cu2+配位,形成2個(gè)配位鍵,所以Cu2+的配位數(shù)為4.

2.3 特殊情況

在有配位鍵的非配合物中,中心離子(或原子)同時(shí)以共價(jià)鍵和配位鍵與其他原子(或離子)相結(jié)合,其配位數(shù)不等于配位鍵的數(shù)目.例如,在[B(OH)4]-、[Al(OH)4]-、[BF4]-、[AlCl4]-、Al2Cl6這5種微粒中,中心離子(或原子)都是用3根共價(jià)鍵和1根配位鍵與其他原子(或離子)結(jié)合的.Al2Cl6的結(jié)構(gòu)式如圖20所示.所以Al的配位數(shù)是4.

圖20

圖21

A.圖乙中離Ni2+最近的Ni2+共有12個(gè)

B.圖甲分子中存在的化學(xué)鍵有共價(jià)鍵、配位鍵、氫鍵

C.圖甲、乙中Ni2+的配位數(shù)分別為4和6

D.圖乙表示的可能是氧化鎳(NiO)的晶胞

(完)