为什么四氨合铜离子上明明带有水，却不写出来？

这个问题触及了化学命名和表示法中一个非常核心且实际的考量：信息的有效性和冗余性。虽然四氨合铜离子（[Cu(NH₃)₄]²⁺）的名称和表示中确实携带着水分子，但通常不直接写出，这背后有着充分的理由。

首先，我们要明确一点，这里的“水”并不是说四氨合铜离子本身“含有”水分子，而是说它通常存在于水溶液中。化学式代表的是离子的组成成分，而四氨合铜离子是由一个铜离子（Cu²⁺）和四个氨分子（NH₃）配位形成的。它的结构是确定的，铜原子位于中心，四个氨分子以键合的形式连接在铜原子周围，形成一个四方平面或四面体构型。

那么，为什么不在它的化学式里体现出“水”呢？

1. 化学式的精确性与代表性：
化学式是为了准确描述一个独立实体（分子或离子）的组成。四氨合铜离子的核心构成就是铜离子和氨分子。水分子的存在与否，以及它们如何围绕着这个离子，是外部环境（通常是溶剂）决定的，而不是离子本身固有的结构部分。
你可以想象一下，一个四氨合铜离子在一个干燥的晶体中，或者在液氨中，可能就不会与水分子紧密结合。但在我们最常见的研究或应用场景——水溶液中，水分子确实存在，并且会与四氨合铜离子相互作用。

2. 水合作用（Hydration）的普遍性：
在水溶液中，几乎所有的离子都会与水分子发生水合作用。水分子中的氧原子带有部分负电荷，而铜离子（Cu²⁺）是正电荷，因此水分子会通过氧原子靠近铜离子。这种水合作用是一种普遍现象，将其写在每一个离子的化学式里，会造成巨大的冗余。
就好比我们很少会在描述“氯离子在水溶液中”时，把氯离子的化学式写成 Cl⁻(H₂O)ₓ。我们知道它是在水里，默认它会发生水合。
对于四氨合铜离子也是类似。它是强烈的氨配合物，但当它存在于水溶液时，它周围也会围绕着水分子。不过，由于氨分子比水分子与铜离子的配位能力更强，氨分子会优先占据铜离子的配位位置。

3. 配位化学的约定：
在配位化学中，我们关注的是中心金属离子与配位体（ligands）之间的配位键。四氨合铜离子中，氨（NH₃）就是配位体，铜（Cu²⁺）是中心金属离子。化学式 [Cu(NH₃)₄]²⁺ 明确地表达了这一点：一个铜离子，四个氨分子作为配位体。
如果水中也存在着配位现象，我们会用更明确的方式来表示，比如写出水合铜离子 [Cu(H₂O)₆]²⁺。但是，对于四氨合铜离子，氨分子已经“占领”了配位位置。

4. 信息的优先级：
命名和书写化学式，是为了传递最关键、最本质的信息。对于四氨合铜离子，最核心的信息是“铜”和“四个氨”，以及它们的配位关系。水的存在是次要的，是溶剂背景下的一个普遍性质。如果我们要特别强调水的作用，或者研究其水合程度，我们可能会采用更复杂的表示法，比如在晶体学中会写出水合晶体，或者在特定研究中描述其水溶液的性质。

5. 简化与效率：
想象一下，如果每一个在水溶液中的离子都要把水分子写出来，化学方程式和式子会变得多么冗长和难以阅读。例如，一个简单的铜盐在水中溶解的反应：
CuSO₄(s) + H₂O(l) → [Cu(H₂O)₆]²⁺(aq) + SO₄²⁻(aq)
如果我们要写一个涉及四氨合铜离子的反应，而又要把水写出来，那会是什么样子？
[Cu(H₂O)₆]²⁺(aq) + 4NH₃(aq) → [Cu(NH₃)₄](H₂O)₂²⁺(aq) + 4H₂O(l) （这只是一个猜测的写法，实际水合数目可能不同）
这种写法不仅冗长，而且会引入对水合数目的具体指明，而这个数目本身也可能不是恒定的，增加不必要的复杂性。

总结一下：

四氨合铜离子（[Cu(NH₃)₄]²⁺）的化学式之所以不写出水，是因为：

化学式的本质是描述离子的固有构成。 水分子是溶剂，是外部环境，不是离子的固定组成部分。
水合作用在水溶液中是普遍现象。 默认了离子的存在环境，避免了巨大的冗余。
配位化学关注中心离子与配位体。 氨分子是明确的配位体，占据了配位位置。
为了信息的清晰、简洁和效率。

因此，我们称之为“四氨合铜离子”，并且写出 [Cu(NH₃)₄]²⁺，就足以传达它的核心化学信息。如果我们需要讨论它与水的作用，我们会在上下文或者更复杂的表示法中体现出来。

网友意见

@Phosphates 老哥已经回答得很好了，非常优秀，很喜欢看他的回答，他已经点出来四氨合铜离子不写水的原因，就是姜泰勒效应（Jahn-Teller Distortion）。姜泰勒这名字翻译得还挺好的，不过听起来感觉好像就一个人姓姜名泰勒哈哈哈哈，但其实是两个人的理论，所以个人还是比较习惯用英文些，Jahn-Teller Distortion。我来答就是想补充一些被略过的点，没错，就是一些小细节，但是可以方便大家更好的理解他的回答。

Phosphates老哥给出了 的轨道裂分图（Orbital Splitting Diagram）,但是没有画出Jahn-Teller Distortion之后的的轨道裂分图，所以我这里再补充一些细节，同时来回答一下另一个问题：为什么 的铜离子会发生变形？我自己用AI画了个图（画的真好），简而言之就是，系统能量最低化推动了自发性对称性破缺(Spontaneous symmetry breaking)，从而导致了变形。

用阳间话说就是：通过拉长z轴上的两个配体，从而使z轴（ ），以及在z轴上有分量或者投影（说的就是和）的电子轨道能量降低(用红色标出)，来使整个体系的能量降低 ，详细情形请见下图右。但是不能忽视的另一个细节就是，有轨道能量降低，相对的，就一定会有轨道能量升高 （和x，y轴相关的 和轨道，用蓝色标出），体现在处于xy平面上的配体收缩，所以Jahn-Teller Distortion的整体效果除了z轴上明显的轴向拉伸之外，还有xy的平面 键长的收缩。那么有升有降，但是整体效果却是能量降低的，因为 轨道上有俩电子，但是 轨道上只有一个，所以更多电子在低能轨道上，体系能量降低，美滋滋。

我们一般很容易忽视这个收缩，但是这个收缩却是真实存在的，刚刚讲过，它来自于裂分轨道的重排。其实这个收缩也很好理解， 如果轴向配体拉伸，意味着z轴上那两个供电子的水分子更远， 的亲电性变强，那么自然就会拉近四周的四个水分子。

我还有一些别的干货，想多讨论一些Jahn-Teller Distortion的东西，晚些再放上来，不过补充Phosphates老哥的东西就是以上了。

Reference:

1. 我用手画的图，各位读者，码字不易，求赞求关注！

在知乎上，经常会有一些看似无厘头的问题，但是实际上问题背后有很深的含义（虽然可能题主自己也没有意识到）。然而，这样的问题却常常会遭到一些嘲笑——比如这个问题实际上就是这么一类。

四氨合铜配离子，一般写作 ，实际上应该是六配位的——其中两个水，四个氨，所以应该是 。但是，由于姜泰勒（Jahn-Teller）效应的缘故，原本的八面体结构发生严重畸变——其中的两个水的配位键被急剧拉长^[1]，从而使得很长一段时间都以为该离子中的铜(II)是四配位的。至今仍有课本都写这个铜是 杂化的，所以是平面正方形——这是不对的。这里的铜其实是 杂化的，是八面体的，只不过由于姜泰勒效应导致轴向被急剧拉长，使得早期没有把那两个水当作是配位水。

比如在这篇文献中写道^[1]：

本文应用晶体场理论以Jaha-Teller效应，说明铜（Ⅱ）氨配离子是稳定的配离子：[Cu(NH3)4(H2O)2]^2+。由于该配离子的中心体Cu^2+为d^9构型，d电子云非对称分布而产生Jahn-Teller效应，其构型畸变为拉长的八面体，从而消除了轨道的简并性，增加了Jahn-Teller稳定化能，因此相当稳定。当Jahn-Teller效应很显著时，就可以近似地把细长的四角双锥体看成平面正方形，以[Cu(NH3)4]^2+表示了。

什么是姜泰勒效应：（结构化学中也有相关内容）

姜-泰勒效应（英文：Jahn-Teller effect，简称JTE），有时也被称为姜-泰勒变形，描述了基态时有多个简并态的非线性分子的电子云在某些情形下发生的构型形变。分子发生几何构型畸变的目的是降低简并度，从而稳定其中一个状态。

上面这段话来自于维基百科^[2]，我来替大家稍微翻译一下（当应用于配合物中）。

比如根据晶体场理论，当正八面体配位时，中心原子d轨道会分裂成 和 ，随后d电子在其中根据能量高低重新排布。

其中 有简并的两个轨道，而 有简并的三个轨道。当简并的几个轨道完全等价时——占据电子数相同，OK一切都很好，不会畸变：比如5个d电子高自旋。

而当简并的轨道占据有不同的电子数时（不等价），就会发生姜泰勒变形了！其中如果不等价发生在能量较低的 轨道，则畸变较小：比如 是低自旋d5；如果不等价发生在能量较高的 轨道，则畸变较大：比如对于d9结构——Cu(II)都是这样的。

那么当有姜泰勒变形时，会发生什么呢？就是八面体中轴向的两个配体配位键会畸变——可能变长或者缩短。对于 和 的情况，是轴向的两个水分子配位键被大幅拉长^[2]。而当这两个键被拉长到了一定程度后，就会让早期的研究者产生错觉，这里的Cu(II)是四配位的。所以这也是为什么至今仍有一些教科书说中心Cu是 杂化，平面正方形（实际应该是 杂化，八面体）；这也是为什么就没有写出那两个水分子了——因为太远了，以前以为它们不是配位键。

至于裂分后的轨道能级图，可以参考本问题下 @花开见佛 的回答。

此外，维基百科还提到环辛四烯一价负离子中也会存在姜泰勒效应，这个是我之前万万没想到过的…… 也是让我在回答这个问题的同时学到了一些东西：我之前只知道在配合物中应用。

关于Jahn-Teller效应的具体理论解释，可以见该问题下的多个回答。

另外一个起初遭到嘲笑的问题是这样的：知道一种水溶液的凝固点，怎么求它的沸点？

也是不少人嘲笑题主，但是后来我指出其实这个问题也不是没有道理的，可以利用溶液的依数性进行解答。

参考

1. ^^ab铜（Ⅱ）配合物的Jahn—Teller效应—铜（Ⅱ）氨配离子的构型及稳定性 http://www.cqvip.com/qk/83890x/1992002/5237603.html
2. ^ ^{a b} https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%A7%9C-%E6%B3%B0%E5%8B%92%E6%95%88%E5%BA%94

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