結晶水

結晶水

化學結晶水存在於晶體中，也被稱為水合水。結晶水是結合在化合物中的水分子，它們並不是液態水。很多晶體含有結晶水，但並不是所有的晶體都含有結晶水。在一些情況下，結晶水是在給定溫度下物質中水的總量，並且大部分以確定的化學計量比存在。溶質從溶液里結晶析出時，晶體裡結合著一定數目的水分子，這樣的水分子叫結晶水。

基本介紹

  • 中文名：結晶水
  • 外文名：Water of crystallization
  • 別名：水合水
  • 本質：結合在化合物中的水分子
  • 對立：液態水
  • 存在位置：晶體
定義,命名法,晶體結構位置,分析方法,無機鹵化物,結晶水合物,

定義

在礦物晶格中占有確定位置的中性水分子H2O；水分子的數量與該化合物中其他組分之間有一定的比例。如石膏Ca(SO4)·2H2O、膽礬Cu(SO4)·5H2O、蘇打Na2(CO3)·10H2O，分別表示其中含有2、5、10分子的結晶水。由於在不同的礦物的晶格中，水分子結合的緊密程度不同，因此結晶水脫離晶格所需的溫度也就不同，但一般不超過600℃，通常為100～200℃。當結晶水逸出時，原礦物晶格便被破壞；其他原子可重新組合，形成另一種化合物。

命名法

在分子式中結晶水可以由不同的方式來表示：
  1. “化合物·nH2O”或“化合物×nH2O”
    這種表示法一般用於只存在晶格水或晶體結構尚未確定的情況下。例如氯化鈣：CaCl2·2H2O
  2. “化合物n(H2O)”
    水合物與配合的水。例如氯化鋅：ZnCl2(H2O)4
  3. 兩種表示法組合：例如硫酸銅：[Cu(H2O)4]SO4·H2O

晶體結構位置

鹽與相應的結晶水組成水合物。由於氫鍵的存在，晶體結構中存在網狀結構，使得水合物的結構可能非常複雜 。歷史上，很多水合物的結構都是未知的，並且表示法中“·”的使用僅僅表示了特定的組成而沒有指明晶體中水分子與化合物之間的結合方式。例如：
FeSO4·7H2O結構FeSO4·7H2O結構
CuSO4·5H2O - 五水硫酸銅 copper(II) sulfate pentahydrate
CoCl2·6H2O - 六水氯化鈷 cobalt(II) chloride hexahydrate
SnCl2·2H2O - 二水氯化亞錫 tin(II) (or stannous) chloride dihydrate
對於許多鹽來說，水與其結合的方式是不重要的，因為在溶解過程中水分子非常的不穩定。例如CuSO4·5H2O與CuSO4的水溶液表現出相同的理化性質。根據水合度，人們能夠對物質當量進行比較：1mol CuSO4·5H2O比1mol CuSO4重。但是，在某些情況下，水合度卻對物質化學性質產生影響。例如無水RhCl3不溶於水，並且在有機金屬化學中套用較少，相對地，RhCl3·3H2O則更有通用性。與之類似，水合的AlCl3是一種較弱的路易斯酸，因此在FriedelCrafts反應中沒有催化活性。所以，在保存無水的AlCl3時必須將其密封，與大氣中的水分子隔絕。
[Ca(H2O)6]2+ 的網狀結構[Ca(H2O)6]2+ 的網狀結構
上述水合硫酸銅的晶體由[Cu(H2O)4]2+中心和與之相連的SO42-離子組成。2個硫酸根和4分子水提供了6個氧原子，將中心的銅原子包圍。第五個水位於晶體結構的其他地方，但不直接與銅鍵合 。上述氯化鈷離子結構為[Co(H2O)6]2+和Cl- 。在氯化錫中，每個Sn中心是金字塔形的，O/Cl-Sn-O/Cl的平均鍵角為83°，Sn與兩個Cl-離子和一個水結合。結晶水因靜電力而穩定存在，因此水合物在含有+2和+3價陽離子以及-2價陰離子的鹽中比較常見。在某些情況下，化合物重量增加主要來自於水。例如，芒硝Na2SO4(H2O)10是一種白色結晶固體，其中水的重量大於50%。

分析方法

大多數化合物的含水量可以用其公式來確定。 通過熱重分析（TGA）來確定未知樣品，在加熱過程中，樣品中水分會脫離化合物，最先蒸發出來的是與化合物靠分子間作用力相連的游離水，之後蒸發的是鍵合更強的結晶水。根據加熱溫度和物質質量作圖，可以獲得蒸發出的水分質量。 然後將脫離的水的量除以水的摩爾質量，以獲得與鹽結合的水分子數。
CuSO4·5H2O的TGACuSO4·5H2O的TGA

無機鹵化物

無機鹵化物中的結晶水
下表列出每種鹽類中水分子的數目。
水合金屬鹵化物
配位層
未與中心金屬連線的結晶水當量　
備註　
CaCl2(H2O)6
[Ca(μ-H2O)6(H2O)3]2+
0
結晶水作為橋連配體
VCl3(H2O)6
trans-[VCl2(H2O)4]+
2
VBr3(H2O)6
trans-[VBr2(H2O)4]+
2
溴化物和氯化物相似
VI3(H2O)6
[V(H2O)6]3+
0
CrCl3(H2O)6
trans-[CrCl2(H2O)4]+
2
暗綠色的同分異構體
CrCl3(H2O)6
[CrCl(H2O)5]2+
1
藍綠色同分異構體
CrCl2(H2O)4
trans-[CrCl2(H2O)4]
0
方形平面/四方扭曲
CrCl3(H2O)6
[Cr(H2O)6]3+
0
AlCl3(H2O)6
[Al(H2O)6]3+
0
與Cr（III）化合物同構
MnCl2(H2O)6
trans-[MnCl2(H2O)4]
2
MnCl2(H2O)4
cis-[MnCl2(H2O)4]
0
順式分子
MnBr2(H2O)4
cis-[MnBr2(H2O)4]
0
順式分子
MnCl2(H2O)2
trans-[MnCl4(H2O)2]
0
與橋接的氯相連
MnBr2(H2O)2
trans-[MnBr4(H2O)2]
0
與橋接的溴相連
FeCl2(H2O)6
trans-[FeCl2(H2O)4]
2
FeCl2(H2O)4
trans-[FeCl2(H2O)4]
0
FeBr2(H2O)4
trans-[FeBr2(H2O)4]
0
FeCl2(H2O)2
trans-[FeCl4(H2O)2]
0
與橋接的氯相連
FeCl3(H2O)6
trans-[FeCl2(H2O)4]
2
只有氯化鐵的水合物
CoCl2(H2O)6
trans-[CoCl2(H2O)4]
2
CoBr2(H2O)6
trans-[CoBr2(H2O)4]
2
CoI2(H2O)6
[Co(H2O)6]2+
0
CoBr2(H2O)4
trans-[CoBr2(H2O)4]
0
CoCl2(H2O)4
cis-[CoCl2(H2O)4]
0
順式分子
CoCl2(H2O)2
trans-[CoCl4(H2O)2]
0
與橋接的氯相連
CoBr2(H2O)2
trans-[CoBr4(H2O)2]
0
與橋接的溴相連
NiCl2(H2O)6
trans-[NiCl2(H2O)4]
2
NiCl2(H2O)4
cis-[NiCl2(H2O)4]
0
順式分子
NiBr2(H2O)6
trans-[NiBr2(H2O)4]
2
NiI2(H2O)6
[Ni(H2O)6]2+
0
NiCl2(H2O)2
trans-[NiCl4(H2O)2]
0
與橋接的溴相連
CuCl2(H2O)2
[CuCl4(H2O)2]2
0
四方扭曲
CuBr2(H2O)4
[CuBr4(H2O)2]n
2
四方扭曲

結晶水合物

許多物質從水溶液里析出晶體時，晶體裡常含有一定數目的水分子，這樣的水分子叫做結晶水。含有結晶水的物質叫做結晶水合物。 水合物含一定量水分子的固體化合物。水合物中的水是以確定的量存在的，例如五水硫酸銅CuSO4的水合物的組成為CuSO4·5H2O。

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