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In Festkörpern bilden Atome und Moleküle eine Vielzahl geometrischer Strukturen, je nachdem, wie sie sich verbinden.In jeder Struktur teilt ein Zentralatom Elektronen mit anderen Atomen oder ionischen Molekülen, und die Form der Struktur hängt davon ab, wie die Elektronen geteilt werden. Die Koordinationszahl für das Zentralatom ist ein Indikator dafür, wie viele Atome oder Moleküle Bindungen mit ihm eingehen, und dies ist eine Determinante für die Molekülform und letztendlich für die Eigenschaften des Feststoffs. Für kovalent gebundene Moleküle und Übergangsmetallkomplexe leiten Chemiker die Koordinationszahl aus der chemischen Formel ab. Sie berechnen die Koordinationszahl für metallische Feststoffe durch Untersuchung der Gitterstruktur.
Kovalent gebundene Moleküle
In einem kovalent gebundenen Molekül bestimmen Chemiker die Koordinationszahl des Zentralatoms, indem sie die Anzahl der gebundenen Atome zählen. Beispielsweise ist im Methanmolekül das zentrale Kohlenstoffatom an vier Wasserstoffatome gebunden, so dass seine Koordinationszahl 4 beträgt. Diese Zahl kann leicht aus der chemischen Formel für Methan: CH bestimmt werden4.
Die gleiche Beziehung gilt für ionische Verbindungen. Beispielsweise kann die Koordinationszahl des Kohlendioxidmoleküls (CO3)2- ist 3 und die Ladung des Ions ist -2.
Übergangsmetallkomplexe
Übergangsmetalle, die die Spalten 3 bis 12 des Periodensystems einnehmen, bilden Komplexe mit Gruppen von Atomen, die als Liganden bezeichnet werden. Die Koordination des Übergangsmetalls ergibt sich wiederum aus der Anzahl der Atome, an die das Zentralatom gebunden ist. Beispielsweise kann die Koordinationszahl der ionischen Verbindung CoCl2(NH3)4+ ist 6, weil das zentrale Kobaltatom mit zwei Chloratomen und vier Stickstoffatomen verbunden ist. In FeN42+Die Koordinationszahl ist 4, da dies die Anzahl der vom zentralen Eisenatom gebildeten Bindungen ist, obwohl die Stickstoffatome durch Bindung miteinander einen Gitterkomplex bilden.
Metallische Feststoffe
In metallischen Festkörpern gibt es keine klare Bindung zwischen Atompaaren. Daher bestimmen Chemiker die Koordination der Struktur, indem sie ein einzelnes Atom auswählen und die Anzahl der Atome zählen, die es unmittelbar umgeben. Zum Beispiel kann ein Atom, das Teil einer Schichtstruktur ist, drei Atome darunter haben, drei darüber und sechs, die es in derselben Schicht umgeben. Die Koordinationszahl für dieses Atom wäre 12.
Die Atome in einem festen Kristall formen sich häufig zu geometrischen Strukturen, die als Zellen bezeichnet werden, und diese Zellen wiederholen sich bis ins Unendliche, um die Kristallstruktur zu erzeugen. Die Entschlüsselung der Form der Zelle ermöglicht die Berechnung der Koordinationszahl, die für jedes Atom in der Struktur gleich ist. Zum Beispiel hat eine kubische Struktur ein Atom in der Mitte, das an jeder Ecke von einem Atom umgeben ist, also ist die Koordinationszahl 8.
Ionische Feststoffe
Natriumchlorid (NaCl) ist ein Beispiel für einen ionischen Feststoff, der aus einem Kation (Na+) und ein Anion (Cl-). In einem ionischen Metall ist die Koordinationszahl des Kations gleich der Anzahl der Anionen in unmittelbarer Nähe. NaCl ist eine kubische Struktur und jedes Natriumkation ist von vier Chlorionen auf derselben Ebene sowie von einer unter- und einer übergeordneten umgeben, sodass die Koordinationszahl 6 beträgt. Aus demselben Grund ist auch die Koordination jedes Chloranions gleich 6.