離子晶體配位數與離子半徑比的關係

2021-02-19 高中化學新天地

        

       

       

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東北育才雙語學校化學教師,東北育才學校學科特長發展中心化學競賽教練員,遼寧省普通高中學業水平合格性考試命題專家庫成員,2019年、2020年瀋陽市高三模擬考試命題人,鄭長龍教授主持的全國教育科學規劃一般課題(BHA170131)《「素養為本」化學課堂教學設計與實施》主要參加人,在《中學化學教學參考》、《遼寧招生考試》等核心期刊發表論文數篇。蘆峰老師擅長本科與高中化學知識的連接,以本科知識視野解析高中內容,以大觀念視角設計模塊教學,從「化學認識」,到「科學認識」,再到「哲學認識」,三個維度設計教學內容,深受學生喜愛。

 

人教版高中化學教材《選修3 物質結構與性質》78-79頁,對離子晶體配位數與離子半徑的比設置了「科學探究」欄目。但是在實際的一線教學中,很多課堂並沒有對該欄目內容進行深度挖掘,甚至沒有進行介紹。

      本文,蘆老師帶同學們探究離子晶體配位數與離子半徑比的關係。我們介紹三種AB型離子晶體的晶胞,CsCl、NaCl和立方ZnS,以此為基礎進行探究。下圖中灰色球表示陰離子,白色球表示陽離子。

        對於  AB 型的離子晶體 CsCl,NaCl  和 ZnS 來說,陰、陽離子的比例都是1:1,但形成了三種不同的晶體構型,配位數依次為8、6和4。當陰、陽離子結合成離子晶體時,為什麼會形成配位數不同的空間構型呢?這是因為某種結構下該離子晶體最穩定,體系的能量最低。

        在離子晶體中,當陰、陽離子處於最密堆積時,體系的能量最低。密堆積,即離子間採取空隙最小的排列方式。因此在可能條件下,為了充分利用空間,較小的正離子總是儘可能地填在較大的負離子的空隙中(注意,負離子的半徑一般都大於正離子,與電子層數無關),形成穩定的晶體。

       下面以配位數為 6 的 NaCl 晶體為例說明正、負離子半徑比與配位數的關係。

       在配位數為 6 的面心立方晶胞中,離子間的接觸情況有三種:

      我們從六配位的介穩狀態(c)出發,探討半徑比與配位數之間的關係。

       根據陰、陽離子間和陰、陰離子間都互相接觸的 4 配位和 8 配位的圖形,同樣可以分別計算出配位數為 4和 8 的離子晶體的陰、陽離子半徑比分別為 0.225 和0.732 。

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