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晶胞中“配位数之比=化学式角码反比”适用情况讨论

配位数之比(阳离子配位数:阴离子配位数)等于化学式角码反比(阴离子角码:阳离子角码),本质是离子晶体“配位键守恒” 的体现,但仅在特定结构条件下成立,核心取决于离子配位环境是否单一、是否为纯离子键作用。

一、规律成立的核心情况(满足“单一配位环境+纯离子键”)

当晶体中阳离子、阴离子均只有一种配位环境(所有同类型离子周围紧邻的异号离子数完全相同),且为纯离子晶体(无共价键、氢键干扰)时,“总配位键数=阳离子数×阳离子配位数=阴离子数×阴离子配位数”,规律必然成立。

 1. 简单AB型离子晶体(化学式角码1:1)

阴阳离子配位数相等,配位数之比=1:1,与角码反比(1:1)完全一致。

示例:

NaCl(立方晶系):Na⁺配位数6,Cl⁻配位数6,配位数比=6:6=1:1;化学式NaCl(角码1:1),反比1:1,成立。

CsCl(立方晶系):Cs⁺配位数8,Cl⁻配位数8,配位数比=8:8=1:1;化学式CsCl(角码1:1),反比1:1,成立。

2. 简单ABₙ/AₙB型离子晶体(阴阳离子各一种配位环境)

即使角码不为1,只要阴阳离子均只有一种配位数,规律仍成立。

示例:

CaF₂(萤石型):Ca²⁺配位数8,F⁻配位数4,配位数比=8:4=2:1;化学式CaF₂(角码Ca:F=1:2),反比=2:1,成立。

Na₂O(反萤石型):Na⁺配位数4,O²⁻配位数8,配位数比=4:8=1:2;化学式Na₂O(角码Na:O=2:1),反比=1:2,成立。

MgO(NaCl型):Mg²⁺配位数6,O²⁻配位数6,配位数比=6:6=1:1;化学式MgO(角码1:1),反比1:1,成立。

二、规律不成立的核心情况(破坏“单一配位环境”或“纯离子键”)

当晶体中离子存在多种配位环境(同类型离子配位数不同)、含非离子键(共价键、氢键),或存在多核离子/结构单元时,配位键守恒的计算需考虑“分摊”或“非离子作用”,规律失效。

1. 离子晶体中某一离子存在多种配位环境

同类型离子(如阳离子或阴离子)有2种及以上配位数,“单个离子配位数之比”≠角码反比(规律描述“单个离子配位数”,而非“平均配位数”)。

典型示例:α-BiF₃(立方晶系)

Bi³⁺仅1种配位环境(配位数8),但F⁻有两种位点:一种与4个Bi³⁺配位(配位数4),另一种与6个Bi³⁺配位(配位数6);

单个离子配位数比(Bi:F)可能为8:4=2:1或8:6=4:3,而化学式BiF₃(角码1:3)的反比=3:1,两者不匹配,规律失效。(可参考2024年河北高考第12题)

2. 含共价键的过渡型/共价晶体(非纯离子键)

规律仅适用于纯离子晶体,若存在显著共价键,“配位数”实为“共价键连接数”,不再满足离子配位的“静电作用守恒”。

示例:

SiO₂(原子晶体):Si配位数4(与4个O形成共价键),O配位数2(与2个Si形成共价键);配位数比=4:2=2:1,化学式SiO₂(角码1:2)的反比=2:1,看似成立,但本质是共价键连接,非离子配位,规律“适用前提错误”(不属于离子晶体)。

AlCl₃(过渡型晶体,含Al₂Cl₆二聚体):Al配位数4(部分共价桥键),Cl配位数2(部分桥键、部分端基键);配位数比=4:2=2:1,化学式AlCl₃(角码1:3)的反比=3:1,不匹配,规律失效。

3. 含多核离子/氢键的晶体(结构单元复杂)

晶体中存在多核离子(如[Cr₂O₇]²⁻)或氢键,离子配位环境被破坏,配位数统计包含“非离子作用”,规律失效。

示例:

K₂Cr₂O₇(离子晶体,含[Cr₂O₇]²⁻多核阴离子):K⁺配位数6,Cr配位数4(与O形成共价键),O配位数2(部分桥氧、部分端基氧);配位数比(K:Cr:O)无法对应化学式K₂Cr₂O₇(角码2:2:7)的反比,规律失效。

H₂O(分子晶体,含氢键):O配位数4(2个共价键+2个氢键),H配位数2(1个共价键+1个氢键);配位数比=4:2=2:1,化学式H₂O(角码2:1)的反比=1:2,不匹配,规律失效(含氢键,非离子晶体)。

 三、快速判断口诀

1.先看晶体类型:纯离子晶体才可能适用,共价晶体、分子晶体、过渡型晶体直接排除;

2.再看配位环境:阴阳离子是否均只有一种配位数(无多种位点);

3.最后验守恒:若“阳离子数×阳离子配位数=阴离子数×阴离子配位数”,规律成立,反之则不成立。

简单总结:只有“纯离子晶体+阴阳离子各一种配位环境”时,“配位数之比=角码反比”才成立,其余情况均失效。

附2024年河北卷第12题

晶胞中“配位数之比=化学式角码反比”适用情况讨论

(责任编辑:化学自习室)
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