AX4四面体 (A为中心原子,如硅、锗;X为配位原子,如氧、硫) 在无机化合物中很常见。四面体T1按下图所示方式相连可形成一系列“超四面体”(T2、T3···):
⑴ 上图中T1、T2和T3的化学式分别为AX4、A4X10和A10X20,推出超四面体T4的化学式。
⑵ 分别指出超四面体T3、T4中各有几种环境不同的X原子,每种X原子各连接几个A原子?在上述两种超四面体中每种X原子的数目各是多少?
⑶ 若分别以T1、T2、T3、T4为结构单元共顶点相连(顶点X原子只连接两个A原子),形成无限三维结构,分别写出所得三维骨架的化学式。
⑷ 欲使上述T3超四面体连接所得三维骨架的化学式所带电荷分别为+4、0和-4,A选Zn2+、In3+或Ge4+,X取S2-,给出带三种不同电荷的骨架的化学式(各给出一种,结构单元中的离子数成简单整数比)。
⑴T4超四面体的化学式为A20X35
⑵T3超四面体中,有3种不同环境的X原子。
其中4个X原子在顶点上,所连接A原子数为1;
12个X原子在超四面体的边上,所连接A原子数为2;
4个原子在超四面体的面上,所连接A原子数为3。
T4超四面体中有5种不同环境的X原子。
其中4个X原子在顶点上,所连接A原子数为1;
12个X原子在超四面体的边上但不在边的中心,所连接A原子数为2;
6个X原子在超四面体的边的中心,所连接A原子数为2;
12个原子在超四面体的面上,所连接A原子数为3;
1个在超四面体的中心,所连接A原子数为4。
⑶化学式分别为 AX2, A4X8, A10X18, A20X33。
答分别为 AX2, AX2, A5X9, A20X33也可。
⑷A10X184+只能是Ge10S184+;
A10X18可以是Zn2Ge8S18,In2ZnGe7S18,In4Ge6S18;
A10X184-可以是
Zn4Ge6S184-, In8Ge2S184-, In6ZnGe3S184-, In4Zn2Ge4S184-, In2Zn3Ge5S184-;
⑴根据连接规律,超四面体中A原子与上一个相邻的超四面体中X原子数相同,所以T4中,A原子数为20,X原子数为20+(10+5)=35,即T4为T20X35 。
⑵T3中,所有X原子都位于超四面体的面上,每个面如下图所示(顶点、交点位置为X原子):
根据该图形的对称性可知:顶点X边接一个A,棱边X连接2个A,面心X连接3个A,共有3种环境不同的X。
T4中,面上X的位置如下图所示:
共有4种不同环境的X,分别连接1个,2个,2个,3个A原子,另外在该超四面体的内部还有一种环境的X,分别连接4个A。
⑶在如题所描述的结构中,顶点X原子被两个结构单元所共有,因此只有一半属于原四面体,其它位置的X原子,以及A原子仍属于该结构单元。所以
以T1为结构单元的结构中,化学式为:AX4/2,即AX2;
以T2为结构单元的结构中,化学式为:A4X6+4/2,即A4X8;
以T3为结构单元的结构中,化学式为:A10X16+4/2,即A10X18;
以T4为结构单元的结构中,化学式为:A20X31+4/2,即A20X33。
⑷根据结构组成,设“T3”的化学组成为:ZnxLnyGezSm
用尝试法,计算该组成所带的电荷数,可得一系列满足题意的答案。