So berechnen Sie eine Koordinationszahl

Bestimmte Arten von Atomen bilden regelmäßige dreidimensionale sich wiederholende Strukturen, wenn sie sich mit anderen Elementen verbinden. Diese sich wiederholenden Muster werden als Kristallgitter bezeichnet und sind charakteristisch für ionische Feststoffe oder Verbindungen, die ionische Bindungen enthalten, wie zum Beispiel Kochsalz (mehr dazu weiter unten).

Diese Kristalle haben winzige sich wiederholende Abschnitte, die sich rühmen Kationen, oder positiv geladene Atome, in ihrem Zentrum. Dieses Zentralatom ist geometrisch mit einer bestimmten Anzahl von Anionen über eines von mehreren bekannten Mustern. Jedes Anion wiederum kann man sich so vorstellen, als ob es im Zentrum seiner eigenen sich wiederholenden Einheit sitzt und mit einem assoziiert bestimmte Anzahl von Kationen, die die gleiche oder eine andere Anzahl wie im Kation-im-Zentrum sein können Beispiel.
Diese Nummer, genannt die Koordinationsnummer oder liganz, gilt eher für Ionen als für "native" Atome und bestimmt die größere dreidimensionale Form des Festkörpers auf vorhersehbare Weise, die sich auf die grundlegende Atomarchitektur bezieht. Es bestimmt auch die Farbe aufgrund spezifischer und einzigartiger Abstände zwischen Elektronen und anderen Komponenten des Kristallgitters.

Wenn Sie Zugang zu dreidimensionalen Modellen gängiger Kristallgittermuster haben, können Sie eines visuell inspizieren "Einheit" sowohl aus der Perspektive des Anions als auch des Kations und sehen Sie, wie viele "Arme" das Ion des Gegenteils erreichen aufladen. In den meisten Fällen müssen Sie sich jedoch auf eine Kombination aus Online-Recherche und der Verwendung von Summenformeln verlassen.

Beispiel: Die Formel für die ionische Verbindung Natriumchlorid, oder Tafelsalz, ist NaCl. Dies bedeutet, dass jedem Kation genau ein Anion zugeordnet sein sollte; in der Sprache der Ligatur bedeutet dies, dass das Kation Na⁺ und das Anion Cl⁻ die gleiche Koordinationsnummer haben.

Bei der Untersuchung zeigt die Struktur von NaCl jedes Na⁺ Ion mit einem Cl⁻ Nachbar oben und unten, links und rechts und vorne und hinten. Das gleiche gilt von der Cl⁻ Perspektive. Die Koordinationszahl für beide Ionen ist 6.

Kationen und Anionen weisen in einem Kristall ein Molekülverhältnis von 1:1 auf, was bedeutet, dass sie die gleiche Koordinationszahl haben, aber dies bedeutet nicht, dass die Zahl auf 6 festgelegt ist. Die Zahl 6 ist wegen der oben-unten-rechts-links-vorwärts-rückwärts-Symmetrie eine bequeme Zahl im dreidimensionalen Raum. Aber was wäre, wenn diese "Verbindungen" diagonal ausgerichtet wären, als ob sie vom Mittelpunkt eines Würfels weg in alle seine Ecken zeigen würden?

Tatsächlich ist das Gitter von Cäsiumchlorid oder CsCl so angeordnet. Cäsium und Natrium haben die gleiche Anzahl von Valenzelektronen, daher könnten NaCl und CsCl theoretisch ähnliche Kristalle aufweisen. Ein Cäsium-Ion ist jedoch weitaus massiver als ein Natrium-Ion, und da es mehr Platz benötigt, ist es mit einer Koordinationszahl von 8 besser untergebracht. Nun findet man benachbarte Ionen rein entlang von Diagonalen; sie sind weiter entfernt als in NaCl, aber auch zahlreicher.

Da Cäsium und Chlor in dieser Verbindung im Verhältnis 1:1 vorliegen, beträgt die Koordinationszahl für das Chloridion in diesem Fall 8.

Titanoxid (TiO₂) ist ein Beispiel für eine Kristallstruktur, die Anionen und Kationen im Verhältnis 2:1 enthält. Die Grundeinheit des Gitters ist also tetraedrisch: Jedes Ti⁴⁺ Kation ist inmitten von sechs O^2-Ionen, während jedes O^2-Ion hat drei unmittelbare Ti⁴⁺ Nachbarn.

Die Koordinationszahl für Ti⁴⁺ ist 6, während die des O^2-ion ist 3. Dies ist chemisch sinnvoll, da die Formel TiO₂ impliziert, dass in dieser Verbindung doppelt so viele Sauerstoffionen vorhanden sind wie Titanionen.