构建思维模型提升解题能力——以晶体结构中配住数计算为例-《中学生数理化》高考理化2025年12月刊

构建思维模型 以晶体结构 ■郑州外国语 在“物质结构与性质”的考查中，晶体结 构是必考点，该考点能够很好地体现宏观辨 识与微观探析、证据推理与模型认知等化学 学科核心素养。研究近几年高考试题发现， 晶体结构中配位数的考查是高考的热点。本 文从配位数的概念人手，结合典例分析和计 算来帮助考生完成对配位数相关知识的思维 建构。 一、配位数的概念 在物质结构与性质学习中，经常遇到配 位数这一概念。对于配位数，有很多不同的 认识和理解。高中化学教材中有三处出现了 配位数概念，一是价层电子对互斥理论，二是 配合物理论，三是晶体结构部分。 1.价层电子对互斥理论中的配位数。苏 教版出现了配位原子的概念。在AB型分 子或离子中A称作中心原子，B称作配位原 子，B的数目就是配位数。其他版本教材中 一般用结合的原子或紧邻的原子来描述。所 以在价层电子对互斥理论中的配位数指的是 与中心原子邻接的原子的数目，与是否形成 配位键无关。 2.配合物理论中的配位数。苏教版出现 了配位数的概念，但并未详细说明，只是在配 体右下角数字处标明配位数。人教版配合物 内容在晶体结构后，直接使用了配位数但未 解释。鲁科版未出现配位数。 3.晶体结构中的配位数。人教版、苏教 版明确出现了配位数的概念，并指出配位数 指的是与一个微粒“紧邻”的原子、离子或分 子数目。 从高考情况看，配合物及晶体结构中均 出现了配位数的概念。从所给答案来看，配 位数均指相邻最近的分子、原子或异号离子 的数目。 例1HMn(CO):是锰的一种简单羰 基配位化合物，其结构如图1所示。配位化 知识篇，知识结枸与拓展中学生数理化 高中理化2025年12月 提升解题能力 中配位数计算为例 校 韩青 合物中的中心原子配位数是指和中心原子直 接成键的原子的数目。HMn(CO)；中锰原 子的配位数为 M 0 H 图1 解析：题目明确给出中心原子配位数的 概念一和中心原子直接成键的原子数目， 结合概念直接得出结果。 答案：6 二、思维模型构建 1.直接观察法。 例2萤石(CaF2)是自然界中常见的 含氟矿物，其晶胞结构如图2所示，F的配 位数为 图2 解析：离子晶体的配位数 一一个离子 周围最邻近的带异电性离子的数目，选定 F,其周围最邻近的Ca+用圆圈标示如图3。 图3 答案：4 变式训练：Li,CN,晶胞如下页图4所 示，CN的配位数为。 13 中学生款理化贺塑化知识德掉气折骨 CN 图4 解析：选定CN,用直接观察法，CN 的配位数用圆圈标示如图5。 ●CN好 oLi计 图5 答案：8 2.空间想象法。 例3干冰中每个CO,分子周围距离 最近的CO2分子有个，配位数是一。 解析：分子晶体的配位数一一个分子 周围最邻近的分子的数目。CO,周围最邻近 的CO,数目不好直接观察出来，我们利用晶 体可以看作是数量巨大的晶胞无隙并置而成 的特点，通过空间想象法，得出每个CO2周 围最邻近的C。,数目，如图6所示。 干冰的结构模型（品胞 图6 答案：1212 变式训练：某含氨化合物晶胞如图7，其 化学式为CaCN2,每个阴离子团的配位数（紧 邻的阳离子数)为 1209 N OCa 图7 14 解析：根据六方最密堆积图 :⊙ ,以上 底面的面心分析，下面圆圈标示的有3个 C,同理上面也应该有3个CN,基于此分 析含氨化合物晶胞得到8§ 88 ,以这个CN进 行分析，结合晶体是晶胞无隙并置形成的，使用 RaRog 空间想象法，得出其俯视图为6 答案：6 3.化学式换算法。 对于化学式为AB,型的晶胞，若A粒子 的配位数为m,B粒子的配位数为n,则m：n= b:a,即微粒配位数与化学式中计量数成反比。 例4萤石(CaF2)是自然界中常见的 含氟矿物，Ca+的配位数为。 解析：CF,中F-的配位数用直接观察 法得出为4，C+的配位数利用空间想象法 如图8，可得出其配位数为8。事实上，得出 F的配位数之后，根据化学式换算法，可直 接得出Ca+的配位数。 Ca2+ 图8 答案：8 变式训练：锆(Zr)是重要的战略金属，某 种锆的氧化物晶体的立方晶胞如图9，晶胞 中O与Zx的配位数分别为和。 Zr a pm 图9 解析：根据均摊法，晶胞中含4个Zr,8× 日+12×+6×号+1=8个0，则立方氧 化锆的化学式为ZrO2。O的配位数直接观 察得出配位数为4，圆圈标示如图10，再根据 化学式换算法，可直接得出Zr的配位数为8。 a pm 图10 答案：48 4.配位数守恒法。 在晶体结构中，阳离子周围的阴离子总 配位数等于阴离子周围的阳离子配位数，你 之为配位数守恒关系。该方法在没有图、图 复杂的情况下特别有用。比如CaF2晶体中， CaF2中F的配位数为4，Ca+的配位数为8， Ca+与F-的数目之比为1：2，满足4×2= 8×1。 例5如图11所示，CaTiO,晶体中， O的配位数为 图11 解析：Ca+周围最邻近的O(即Ca+的 配位数)为3×8×号=12，T1+周围最邻近的 2 O2-(即Ti+的配位数)用直接观察法得出为 6,设○一的配位数为，根据配位数守恒法得 出12×1+6×1=n×3,n=6。 答案：6 变式训练：如图12所示，某富锂超离子导 体的晶胞是立方体，C1原子的配位数为 700 Li 图12 部园以脑的气栖骨中学生款理化 解析：根据均摊法，图12的晶胞中含Li 个数为8×号+1=3,0个数为2× 1 =1,C1 个数为4×} =1,得出化学式为Li,CIO。Li 原子的配位数可用直接观察法得出为6，用 圆圈标示如图13。O原子的配位数可用空 间想象法得出为6，用箭头标示在图13中。 设C1原子的配位数为n,根据配位数守恒法 得出6×3=n×1+6×1,n=12。 Li 图13 答案：12 5.特征配位数法。 对于一些元素，我们可以根据元素性质 和结构知识来直接判断配位数，即一些元素 有自己的“特征配位数”。例如，S元素有四 个价电子，以sp3杂化方式呈现四面体构型， 此时S达到8电子稳定结构，因此我们可以 判定，Si的特征配位数为4，同理，对于 Zn(Ⅱ)，其价电子构型为3d°，距离稳定的18 电子还缺八个电子，根据一根配位键提供2 个电子可知，还需成4根配位键，因此其特征 配位数为4。 综上所述，晶体结构中配位数的计算是 高考中常考知识点，对考生的空间想象能力 和逻辑思维能力有较高要求，同时，考生应当 学会从这类题目联想到课本中的相关知识， 这也对考生思维体系的构建能力和知识的关 联能力做出了一定的要求。在解决这类题的 过程中，考生要学会建构解题模型，提高解决 问题的能力，在学习的过程中收获知识并提 高化学学科核心素养。 (责任编辑谢启刚) 0 0 15