En química , cristalografía y ciencia de materiales , el número de coordinación , también llamado ligancia , de un átomo central en una molécula o cristal es el número de átomos, moléculas o iones unidos a él. El ion/molécula/átomo que rodea al ion/molécula/átomo central se llama ligando . Este número se determina de manera algo diferente para las moléculas que para los cristales.
Para moléculas e iones poliatómicos, el número de coordinación de un átomo se determina simplemente contando los otros átomos a los que está unido (ya sea mediante enlaces simples o múltiples). [1] Por ejemplo, [Cr(NH 3 ) 2 Cl 2 Br 2 ] − tiene Cr 3+ como catión central, que tiene un número de coordinación de 6 y se describe como hexacoordinado . Los números de coordinación comunes son 4 , 6 y 8.
En química, el número de coordinación , definido originalmente en 1893 por Alfred Werner , es el número total de vecinos de un átomo central en una molécula o ion. [1] [3] El concepto se aplica más comúnmente a los complejos de coordinación .
El número de coordinación más común para los complejos de metales de transición de bloques d es 6. El número de coordinación no distingue la geometría de tales complejos, es decir, prismáticos octaédricos versus trigonales.
Para los complejos de metales de transición, los números de coordinación varían de 2 (p. ej., Au I en Ph 3 PAuCl) a 9 (p. ej., Re VII en [ReH 9 ] 2− ). Los metales en el bloque f (los lantánidos y actinoides ) pueden acomodar un mayor número de coordinación debido a sus mayores radios iónicos y la disponibilidad de más orbitales para enlazar. Comúnmente se observan números de coordinación de 8 a 12 para elementos del bloque f . Por ejemplo, con iones nitrato bidentados como ligandos, Ce IV y Th IV forman los iones de 12 coordenadas [Ce(NO 3 ) 6 ] 2− ( nitrato de amonio cérico ) y [Th(NO 3 ) 6 ] 2− . Cuando los ligandos circundantes son mucho más pequeños que el átomo central, pueden ser posibles números de coordinación incluso mayores. Un estudio de química computacional predijo una PbHe particularmente estable2+
15Ion compuesto por un ion de plomo central coordinado con no menos de 15 átomos de helio. [4] Entre las fases de Frank-Kasper , el empaquetamiento de átomos metálicos puede dar números de coordinación de hasta 16. [5] En el extremo opuesto, el blindaje estérico puede dar lugar a números de coordinación inusualmente bajos. Un caso extremadamente raro de un metal que adopta un número de coordinación de 1 ocurre en el complejo de ariltalio (I) basado en terfenilo 2,6-Tipp 2 C 6 H 3 Tl, donde Tipp es el grupo 2,4,6-triisopropilfenilo. [6]
Los números de coordinación se vuelven ambiguos cuando se trata de ligandos polihapto. Para ligandos de electrones π como el ion ciclopentadienuro [C 5 H 5 ] − , alquenos y el ion ciclooctatetraenuro [C 8 H 8 ] 2− , el número de átomos adyacentes en el sistema de electrones π que se unen al átomo central es denomina hapticidad . [7] En el ferroceno, la hapticidad, η , de cada anión ciclopentadienuro es cinco, Fe( η 5 -C 5 H 5 ) 2 . Existen varias formas de asignar la contribución realizada por cada ligando de ciclopentadienuro al número de coordinación del átomo de hierro central. La contribución podría asignarse como uno ya que hay un ligando, o como cinco ya que hay cinco átomos vecinos, o como tres ya que hay tres pares de electrones involucrados. Normalmente se realiza el recuento de pares de electrones. [8]
Los números de coordinación están bien definidos para los átomos en el interior de una red cristalina : se cuentan los vecinos más cercanos en todas las direcciones. El número de vecinos de un átomo interior se denomina número de coordinación global . Para las superficies, el número de vecinos es más limitado, por lo que el número de coordinación de la superficie es menor que el número de coordinación general. A menudo, el número de coordinación de la superficie es desconocido o variable. [9] El número de coordinación de la superficie también depende de los índices de Miller de la superficie. En un cristal cúbico centrado en el cuerpo (BCC) , el número de coordinación global es 8, mientras que, para la superficie (100), el número de coordinación de la superficie es 4. [10]
Una forma común de determinar el número de coordinación de un átomo es mediante cristalografía de rayos X. Las técnicas relacionadas incluyen la difracción de neutrones o electrones . [11] El número de coordinación de un átomo se puede determinar directamente contando los vecinos más cercanos.
El α-aluminio tiene una estructura cúbica regular, fcc , donde cada átomo de aluminio tiene 12 vecinos más cercanos, 6 en el mismo plano y 3 arriba y abajo, y el poliedro de coordinación es un cuboctaedro . El hierro α tiene una estructura cúbica centrada en el cuerpo donde cada átomo de hierro tiene 8 vecinos más cercanos situados en las esquinas de un cubo.
Los dos alótropos del carbono más comunes tienen diferentes números de coordinación. En el diamante , cada átomo de carbono está en el centro de un tetraedro regular formado por otros cuatro átomos de carbono, el número de coordinación es cuatro, como en el caso del metano. El grafito está formado por capas bidimensionales en las que cada carbono está unido covalentemente a otros tres carbonos; Los átomos de otras capas están más lejos y no son vecinos más cercanos, lo que da un número de coordinación de 3. [12]
Para compuestos químicos con redes regulares como el cloruro de sodio y el cloruro de cesio , un recuento de los vecinos más cercanos da una buena idea del entorno de los iones. En el cloruro de sodio, cada ion sodio tiene 6 iones cloruro como vecinos más cercanos (a 276 pm) en las esquinas de un octaedro y cada ion cloruro tiene 6 átomos de sodio (también a 276 pm) en las esquinas de un octaedro. En el cloruro de cesio, cada cesio tiene 8 iones cloruro (a 356 pm) situados en las esquinas de un cubo y cada cloruro tiene ocho iones de cesio (también a 356 pm) en las esquinas de un cubo.
En algunos compuestos, es posible que no todos los enlaces metal-ligando estén a la misma distancia. Por ejemplo, en PbCl 2 , se podría decir que el número de coordinación de Pb 2+ es siete o nueve, dependiendo de qué cloruros se asignen como ligandos. Siete ligandos de cloruro tienen distancias Pb-Cl de 280 a 309 pm. Dos ligandos de cloruro están más distantes, con distancias Pb-Cl de 370 pm. [13]
En algunos casos se utiliza una definición diferente de número de coordinación que incluye átomos a mayor distancia que los vecinos más cercanos. La definición muy amplia adoptada por la Unión Internacional de Cristalografía , IUCR, establece que el número de coordinación de un átomo en un sólido cristalino depende del modelo de enlace químico y de la forma en que se calcula el número de coordinación. [14] [15]
Algunos metales tienen estructuras irregulares. Por ejemplo, el zinc tiene una estructura empaquetada hexagonal distorsionada. El empaquetamiento hexagonal regular de esferas predeciría que cada átomo tiene 12 vecinos más cercanos y un poliedro de coordinación ortobicúpula triangular (también llamado anticuboctaedro o cuboctaedro maclado). [12] [16] En zinc hay solo 6 vecinos más cercanos a las 266 pm en el mismo plano compacto con otros seis vecinos más cercanos, equidistantes, tres en cada uno de los planos compactos arriba y abajo a las 291 pm. Se considera razonable describir el número de coordinación como 12 en lugar de 6. [15] Se pueden aplicar consideraciones similares a la estructura cúbica regular centrada en el cuerpo donde, además de los 8 vecinos más cercanos, hay 6 más, aproximadamente un 15% más distantes, [12] y en este caso el número de coordinación suele considerarse 14.
Muchos compuestos químicos tienen estructuras distorsionadas. Arseniuro de níquel , NiAs tiene una estructura en la que los átomos de níquel y arsénico tienen 6 coordenadas. A diferencia del cloruro de sodio, donde los iones cloruro son cúbicos y compactos, los aniones de arsénico son hexagonales y compactos. Los iones de níquel tienen 6 coordenadas con un poliedro de coordinación octaédrico distorsionado donde las columnas de octaedros comparten caras opuestas. Los iones de arsénico no están coordinados octaédricamente sino que tienen un poliedro de coordinación prismático trigonal. Una consecuencia de esta disposición es que los átomos de níquel están bastante cerca unos de otros. Otros compuestos que comparten esta estructura, o una estrechamente relacionada, son algunos sulfuros de metales de transición como FeS y CoS , así como algunos intermetálicos. En el telururo de cobalto (II), CoTe, los seis átomos de telurio y dos de cobalto están todos equidistantes del átomo de Co central. [12]
Otros dos ejemplos de sustancias químicas que se encuentran comúnmente son el Fe 2 O 3 y el TiO 2 . El Fe 2 O 3 tiene una estructura cristalina que puede describirse como una disposición casi compacta de átomos de oxígeno con átomos de hierro que llenan dos tercios de los agujeros octaédricos. Sin embargo cada átomo de hierro tiene 3 vecinos más cercanos y otros 3 un poco más alejados. La estructura es bastante compleja, los átomos de oxígeno están coordinados con cuatro átomos de hierro y los átomos de hierro a su vez comparten vértices, aristas y caras de los octaedros distorsionados. [12] El TiO 2 tiene la estructura de rutilo . Los átomos de titanio tienen 6 coordenadas, 2 átomos a 198,3 pm y 4 a 194,6 pm, en un octaedro ligeramente distorsionado. Los octaedros alrededor de los átomos de titanio comparten aristas y vértices para formar una red tridimensional. Los iones de óxido tienen 3 coordenadas en una configuración plana trigonal . [17]
El número de coordinación de sistemas con desorden no se puede definir con precisión.
El primer número de coordinación se puede definir utilizando la función de distribución radial g ( r ): [18] [19]
El segundo número de coordinación se define de manera similar:
En la literatura se pueden encontrar definiciones alternativas para el número de coordinación, pero en esencia la idea principal es la misma. Una de esas definiciones es la siguiente: Denotar la posición del primer pico como r p ,
La primera capa de coordinación es la capa esférica con un radio entre r 0 y r 1 alrededor de la partícula central bajo investigación. [20] [21]
