Hoe een coördinatiegetal te berekenen

Bepaalde soorten atomen vormen regelmatige driedimensionale herhalende structuren wanneer ze zich hechten aan andere elementen. Deze zich herhalende patronen worden kristalroosters genoemd en ze zijn kenmerkend voor ionische vaste stoffen, of verbindingen die ionische bindingen bevatten, zoals keukenzout (meer hieronder).

Deze kristallen hebben kleine herhalende secties die opscheppen: kationen, of positief geladen atomen, in hun centrum. Dit centrale atoom is geometrisch geassocieerd met een bepaald aantal anionen via een van een aantal bekende patronen. Elk anion kan op zijn beurt voorgesteld worden als zittende in het centrum van zijn eigen herhalende eenheid en associërend met a bepaald aantal kationen, dat hetzelfde aantal of een ander aantal kan zijn als in het kation-at-center voorbeeld.
Dit nummer, genaamd de coördinatiegetal of afstamming, is van toepassing op ionen in plaats van "eigen" atomen en bepaalt de grotere driedimensionale vorm van de vaste stof op voorspelbare manieren die betrekking hebben op fundamentele atomaire architectuur. Het bepaalt ook de kleur dankzij specifieke en unieke afstanden tussen elektronen en andere componenten van het kristalrooster.

Als je toevallig toegang hebt tot driedimensionale modellen van veelvoorkomende kristalroosterpatronen, kun je er een visueel inspecteren "eenheid" vanuit het perspectief van zowel het anion als het kation en zie hoeveel "armen" zich uitstrekken naar het ion van tegenovergestelde in rekening brengen. In de meeste gevallen zul je echter aangewezen zijn op een combinatie van online onderzoek en het gebruik van moleculaire formules.

Voorbeeld: De formule voor de ionische verbinding natriumchloride, of keukenzout, is NaCl. Dit betekent dat aan elk kation precies één anion moet worden gekoppeld; in de taal van ligancy betekent dit dat het kation Na⁺ en het anion Cl⁻ hetzelfde coördinatienummer hebben.

Bij inspectie toont de structuur van NaCl elke Na⁺ ion met een Cl⁻ buurman boven en onder, links en rechts, en voor en achter. Hetzelfde geldt voor de Cl⁻ perspectief. Het coördinatiegetal voor beide ionen is 6.

Kationen en anionen hebben een moleculaire verhouding van 1:1 in een kristal, wat betekent dat ze hetzelfde coördinatiegetal hebben, maar dit betekent niet dat het aantal vastligt op 6. Het getal 6 is een handig getal in de driedimensionale ruimte vanwege de symmetrie omhoog-omlaag-rechts-links-vooruit-achteruit. Maar wat als deze "verbindingen" diagonaal georiënteerd waren, alsof ze weg wezen van het midden van een kubus naar al zijn hoeken?

In feite is dit hoe het rooster van cesiumchloride, of CsCl, is gerangschikt. Cesium en natrium hebben hetzelfde aantal valentie-elektronen, dus in theorie kunnen NaCl en CsCl vergelijkbare kristallen vertonen. Een cesium-ion is echter veel massiever dan een natrium-ion, en omdat het meer ruimte in beslag neemt, kan het beter worden ondergebracht bij een coördinatiegetal van 8. Nu worden naburige ionen puur langs diagonalen gevonden; ze zijn verder weg dan in NaCl, maar ook talrijker.

Omdat cesium en chloor in deze verbinding in een verhouding van 1: 1 voorkomen, is het coördinatiegetal voor het chloride-ion in dit geval 8.

Titaanoxide (TiO₂) is een voorbeeld van een kristalstructuur die anionen en kationen in een verhouding van 2:1 bevat. Dus de fundamentele eenheid van het rooster is tetraëdrisch: Elke Ti⁴⁺ kation is te midden van zes O^2-ionen, terwijl elke O^2-ion heeft drie directe Ti⁴⁺ buren.

Het coördinatienummer voor Ti⁴⁺ is 6, terwijl die van de O^2-ion is 3. Dit is chemisch logisch, aangezien de formule TiO₂ impliceert dat er twee keer zoveel zuurstofionen in deze verbinding voorkomen als titaniumionen.