Структура, классификация, номенклатура комплексных соединений. Комплексные соединения. Определение, классификация Комплексные соединения кратко

Чтобы дать более-менее точное определение того, что представляют собой комплексные соединения, современной химии приходится опираться на основные положения координационной теории, которая была предложена А. Вернером ещё в 1893 г. Сложность данного вопроса заключается в разнообразии и многочисленности самых различных химических соединений, подпадающих под определение комплексных.

В общих чертах комплексные соединения - это в составе которых находится ряд комплексных частиц. До сих пор наука не располагает строгим определением понятия «комплексная частица». Зачастую пользуются следующим определением: под комплексной частицей понимают сложную частицу, которая способна самостоятельно существовать как в кристалле, так и в растворе. Она состоит из других простых частиц, которые в свою очередь обладают способностью существовать самостоятельно. Также зачастую под определение комплексных частиц подпадают сложные химические частицы, в которых все связи или их часть образованы по донорно-акцепторному принципу.

Общей чертой, которой обладают все комплексные соединения, является наличие в их структуре центрального атома, получившего наименование «комплексообразователь». Учитывая многообразие, которым обладают эти соединения, говорить о каких-то общих чертах этого элемента не приходится. Зачастую комплексообразователь представляет собой атом, образующий металл. Но это не является строгим признаком: известны комплексные соединения, в которых центральный атом является атомом кислорода, серы, азота, йода и других элементов, представляющих собой яркие неметаллы. Говоря о заряде комплексообразователя, можно сказать, что в основном он положительный, и в научной литературе получил название металлоцентра, но известны примеры, когда центральный атом имел и отрицательный заряд, и даже нулевой.

Соответственно изолированные группы атомов или отдельные атомы, которые расположились вокруг комплексообразователя, именуются лигандами. Это могут быть и частицы, которые до вхождения в состав комплексного соединения представляли собой молекулы, к примеру, воды (H2O), (CO), азота (NH3) и многие другие, также это могут быть анионы OH−, PO43− , Cl−, или катион водорода H+.

Попытка классифицировать комплексные соединения по типу заряда комплекса разделяет эти химические соединения на катионные комплексы, которые образованы вокруг положительно заряженного иона нейтральных молекул. Также имеются анионные комплексы, комплексообразователем в которых является атом с положительной Простые и сложные анионы являются лигандами. Отдельной группой можно выделить нейтральные комплексы. Их образование происходит путём координации вокруг нейтрального атома молекул. Также к этому разряду комплексных веществ относят соединения, образованные путём одновременной координации вокруг положительно заряженного иона и молекул, и отрицательно заряженных ионов.

Если учитывать количество мест, занимаемых лигандами в так называемой координационной сфере, то определяют монодентатные, бидентантые и полидентатные лиганды.

Получение комплексных соединений различными способами позволяет производить классификацию по природе лиганда. Среди них различают аммиакаты, в которых лиганды представлены молекулами аммиака, аквакомплексы, где лигандами является вода, карбонилы - оксид углерода играет роль лиганда. Кроме того существуют ацидокомплексы, в которых центральный атом окружают кислотные остатки. Если его окружают гидроксид-ионы, то соединения относят к гидроксокомплексам.

Комплексные соединения играют важную роль в природе. Без них невозможна жизнедеятельность живых организмов. Также применение комплексных соединений в деятельности человека позволяет осуществлять сложные технологические операции.

Аналитическая химия, добыча металлов из руд, гальванопластика, производство лаков и красок - это только краткий перечень отраслей, в которых нашлось применение комплексным химическим веществам.

Образованная из других, более простых частиц, также способных к самостоятельному существованию. Иногда комплексными частицами называют сложные химические частицы, все или часть связей в которых образованы по .

Комплексообразователь - центральный атом комплексной частицы. Обычно комплексообразователь - атом элемента , образующего металл , но это может быть и атом кислорода , азота , серы , йода и других элементов, образующих неметаллы . Комплексообразователь обычно положительно заряжен и в таком случае именуется в современной научной литературе металлоцентром ; заряд комплексообразователя может быть также отрицательным или равным нулю.

Дентатность лиганда определяется числом координационных мест, занимаемых лигандом в координационной сфере комплексообразователя. Различают монодентатные (унидентатные) лиганды, связанные с центральным атомом через один из своих атомов, то есть одной ковалентной связью), бидентатные (связанные с центральным атомом через два своих атома, то есть, двумя связями), три- , тетрадентатные и т. д.

Координационный полиэдр - воображаемый молекулярный многогранник, в центре которого расположен атом-комплексообразователь, а в вершинах - частицы лигандов, непосредственно связанные с центральным атомом.

Тетракарбонилникель
- дихлородиамминплатина(II)

По числу мест, занимаемых лигандами в координационной сфере

1) Монодентатные лиганды . Такие лиганды бывают нейтральными (молекулы Н 2 О, NH 3 , CO, NO и др.) и заряженными (ионы CN − , F − , Cl − , OH − , SCN − , S 2 O 3 2− и др.).

2) Бидентатные лиганды . Примерами служат лиганды: ион аминоуксусной кислоты H 2 N - CH 2 - COO − , оксалатный ион − O - CO - CO - O − , карбонат-ион СО 3 2− , сульфат-ион SO 4 2− .

3) Полидентатные лиганды . Например, комплексоны - органические лиганды, содержащие в своём составе несколько групп −С≡N или −COOH (этилендиаминтетрауксусная кислота - ЭДТА). Циклические комплексы, образуемые некоторыми полидентатными лигандами, относят к хелатным (гемоглобин и др.).

По природе лиганда

1) Аммиакаты - комплексы, в которых лигандами служат молекулы аммиака , например: SO 4 , Cl 3 , Cl 4 и др.

2) Аквакомплексы - в которых лигандом выступает вода : Cl 2 , Cl 3 и др.

3) Карбонилы - комплексные соединения, в которых лигандами являются молекулы оксида углерода(II) : , .

4) Ацидокомплексы - комплексы, в которых лигандами являются кислотные остатки . К ним относятся комплексные соли: K 2 , комплексные кислоты: H 2 , H 2 .

5) Гидроксокомплексы - комплексные соединения, в которых в качестве лигандов выступают гидроксид-ионы: Na 2 , Na 2 и др.

Номенклатура

1) В названии комплексного соединения первым указывают отрицательно заряженную часть - анион , затем положительную часть - катион .

2) Название комплексной части начинают с указания состава внутренней сферы. Во внутренней сфере прежде всего называют лиганды - анионы, прибавляя к их латинскому названию окончание «о». Например: Cl − - хлоро, CN − - циано, SCN − - тиоцианато, NO 3 − - нитрато, SO 3 2− - сульфито, OH − - гидроксо и т. д. При этом пользуются терминами: для координированного аммиака - аммин, для воды - аква, для оксида углерода(II) - карбонил.

(NH 4) 2 - дигидроксотетрахлороплатинат(IV) аммония

[Сr(H 2 O) 3 F 3 ] - трифторотриаквахром

[Сo(NH 3) 3 Cl(NO 2) 2 ] - динитритохлоротриамминкобальт

Cl 2 - хлорид дихлоротетраамминплатины(IV)

NO 3 - нитрат тетрааквалития

История

Основателем координационной теории комплексных соединений является швейцарский химик Альфред Вернер (1866-1919). Координационная теория Вернера 1893 года была первой попыткой объяснить структуру комплексных соединений. Эта теория была предложена до открытия электрона Томсоном в 1896 году, и до разработки электронной теории валентности . Вернер не имел в своём распоряжении никаких инструментальных методов исследований, а все его исследования были сделаны интерпретацией простых химических реакций .

Представления о возможности существования «дополнительных валентностей», зародившиеся при изучении четвертичных аминов , Вернер применяет и к «комплексным соединениям». В статье «К теории сродства и валентности», опубликованной в 1891 г., Вернер определяет сродство как «силу, исходящую из центра атома и равномерно распространяющуюся во всех направлениях, геометрическое выражение которой, таким образом, представляет собой не определённое число основных направлений, а сферическую поверхность». Два года спустя в статье «О строении неорганических соединений» Вернер выдвинул координационную теорию, согласно которой в неорганических молекулярных соединениях центральное ядро составляют комплексообразующие атомы. Вокруг этих центральных атомов расположено в форме простого геометрического полиэдра определённое число других атомов или молекул . Число атомов, сгруппированных вокруг центрального ядра, Вернер назвал координационным числом . Он считал, что при координационной связи существует общая пара электронов , которую одна молекула или атом отдает другой. Поскольку Вернер предположил существование соединений, которые никто никогда не наблюдал и не синтезировал , его теория вызвала недоверие со стороны многих известных химиков, считавших, что она без всякой необходимости усложняет представление о химической структуре и связях. Поэтому в течение следующих двух десятилетий Вернер и его сотрудники создавали новые координационные соединения, существование которых предсказывалось его теорией. В числе созданных ими соединений были молекулы, обнаруживающие оптическую активность , то есть способность отклонять поляризованный свет, но не содержащие атомов углерода , которые, как полагали, были необходимы для оптической активности молекул.

В 1911 г. осуществление Вернером синтеза более чем 40 оптически активных молекул, не содержащих атомов углерода, убедило химическое сообщество в справедливости его теории.

В 1913 г. Вернеру была присуждена Нобелевская премия по химии «в знак признания его работ о природе связей атомов в молекулах, которые позволяли по-новому взглянуть на результаты ранее проведённых исследований и открывали новые возможности для научно-исследовательской работы, особенно в области неорганической химии ». По словам Теодора Нордстрема, который представлял его от имени Шведской королевской академии наук, работа Вернера «дала импульс развитию неорганической химии», стимулировав возрождение интереса к этой области после того, как она какое-то время пребывала в забвении.

Структура и стереохимия

Строение комплексных соединений рассматривают на основе координационной теории, предложенной в 1893 г. швейцарским химиком Альфредом Вернером , лауреатом Нобелевской премии . Его научная деятельность проходила в Цюрихском университете. Ученый синтезировал много новых комплексных соединений, систематизировал ранее известные и вновь полученные комплексные соединения и разработал экспериментальные методы доказательства их строения.

В соответствии с этой теорией в комплексных соединениях различают комплексообразователь, внешнюю и внутреннюю сферы. Комплексообразователем обычно является катион или нейтральный атом . Внутреннюю сферу составляет определённое число ионов или нейтральных молекул , которые прочно связаны с комплексообразователем. Их называют лигандами . Число лигандов определяет координационное число (КЧ) комплексообразователя. Внутренняя сфера может иметь положительный, отрицательный или нулевой заряд.

Остальные ионы, не разместившиеся во внутренней сфере, находятся на более далеком расстоянии от центрального иона, составляя внешную координационную сферу .

Если заряд лигандов компенсирует заряд комплексообразователя, то такие комплексные соединения называют нейтральными или комплексами-неэлектролитами: они состоят только из комплексообразователя и лигандов внутренней сферы. Таким нейтральным комплексом является, например, .

Природа связи между центральным ионом (атомом) и лигандами может быть двоякой. С одной стороны, связь обусловлена силами электростатического притяжения. С другой - между центральным атомом и лигандами может образоваться связь по донорно-акцепторному механизму по аналогии с ионом аммония . Во многих комплексных соединениях связь между центральным ионом (атомом) и лигандами обусловлена как силами электростатического притяжения , так и связью, образующейся за счёт неподеленных электронных пар комплексообразователя и свободных орбиталей лигандов.

Комплексные соединения, имеющие внешнюю сферу, являются сильными электролитами и в водных растворах диссоциируют практически нацело на комплексный ион и ионы внешней сферы.

При обменных реакциях комплексные ионы переходят из одних соединений в другие, не изменяя своего состава.

Наиболее типичными комплексообразователями являются катионы d-элементов. Лигандами могут быть:

а) полярные молекулы - NH 3 , Н 2 О, CO, NO;
б) простые ионы - F − , Cl − , Br − , I − , H + ;
в) сложные ионы - CN − , SCN − , NO 2 − , OH − .

Для описания взаимосвязи пространственного строения комплексных соединений и их физико-химических свойства используются представления стереохимии . Стереохимический подход - удобный прием представления свойств вещества в части влияния того или иного фрагмента структуры вещества на свойство.

Объекты стереохимии - комплексные соединения, органические вещества , высокомолекулярные синтетические и природные соединения. А. Вернер, один из основоположников координационной химии, приложил большие усилия к развитию неорганической стереохимии. Именно стереохимия является центральной в этой теории, до сих пор остающийся ориентиром в координационной химии.

Изомерия координационных соединений

Существуют изомеры двух типов:

1) соединения, в которых состав внутренней сферы и строение координированных лигандов идентичны (геометрические, оптические, конформационные, координационного положения);

2) соединения, для которых возможны различия в составе внутренней сферы и строении лигандов (ионизационные, гидратные, координационные, лигандные).

Пространственная (геометрическая) изомерия

2. Сначала заполняются орбитали, имеющие меньшую энергию .

С учетом этих правил при числе d-электронов в комплексообразователе от 1 до 3 или 8, 9, 10 их можно расположить по d-орбиталям только одним способом (в соответствии с правилом Хунда). При числе электронов от 4 до 7 в октаэдрическом комплексе возможно либо занятие орбиталей , уже заполненных одним электроном, либо заполнение свободных dγ -орбиталей более высокой энергии. В первом случае потребуется энергия на преодоление отталкивания между электронами, находящимися на одной и той же орбитали, во втором - для перехода на орбиталь более высокой энергии. Распределение электронов по орбиталям зависит от соотношения между величинами энергий расщепления (Δ) и спаривания электронов (Р). При низких значениях Δ («слабое поле»), величина Δ может быть < Р, тогда электроны займут разные орбитали, а спины их будут параллельны. При этом образуются внешнеорбитальные (высокоспиновые) комплексы, характеризующиеся определённым магнитным моментом µ. Если энергия межэлектронного отталкивания меньше, чем Δ («сильное поле»), то есть Δ > Р, происходит спаривание электронов на dε -орбиталях и образование внутриорбитальных (низкоспиновых) комплексов, магнитный момент которых µ =0.

Применение

Комплексные соединения имеют важное значение для живых организмов, так гемоглобин крови образует комплекс с кислородом для доставки его к клеткам , хлорофилл находящийся в растениях является комплексом.

Комплексные соединения находят широкое применение в различных отраслях промышленности. Химические методы извлечения металлов из руд связаны с образованием КС. Например, для отделения золота от породы руду обрабатывают раствором цианида натрия в присутствии кислорода . Метод извлечения золота из руд с помощью растворов цианидов был предложен в 1843 г. русским инженером П. Багратионом. Для получения чистых железа , никеля , кобальта используют термическое разложение карбонилов металлов . Эти соединения - летучие жидкости, легко разлагающиеся с выделением соответствующих металлов .

Широкое применение комплексные соединения получили в аналитической химии в качестве индикаторов .

Многие КС обладают каталитической активностью, поэтому их широко используют в неорганическом и органическом синтезах. Таким образом, с использованием комплексных соединений связана возможность получения многообразных химических продуктов: лаков , красок , металлов , фотоматериалов , катализаторов , надёжных средств для переработки и консервирования пищи и т. д.

Комплесные соединения цианидов имеют важное значение в гальванопластике , так как из обычной соли бывает невозможно получить настолько прочное покрытие как при использовании комплексов.

Ссылки

Литература

1. Ахметов Н. С. Общая и неорганическая химия. - М.: Высшая школа, 2003. - 743 с.
2. Глинка Н. Л. Общая химия. - М.: Высшая школа, 2003. - 743 с.
3. Киселев Ю. М. Химия координационных соединений. - М.: Интеграл-Пресс, 2008. - 728 с.

Соединения типа ВF 3 , СН 4 , NН 3 , Н 2 О, СО 2 и др., в которых элемент проявляет свою обычную максимальную валентность, называются валентно-насыщенными соединениями или соединениями первого порядка . При взаимодействии соединений первого порядка друг с другом образуются соединения высшего порядка. К соединениям высшего порядка относятся гидраты, аммиакаты, продукты присоединения кислот, органических молекул, двойные соли и многие др. Примеры образования комплексных соединений:

PtCl 4 + 2KCl = PtCl 4 ∙2KCl или K 2

CoCl 3 + 6NH 3 = CoCl 3 ∙6NH 3 или Cl 3 .

А. Вернер ввел в химию представления о соединениях высшего порядка и дал первое определение понятию комплексного соединения. Элементы после насыщения обычных валентностей способны проявлять еще и дополнительную валентность – координационную . Именно за счет координационной валентности и происходит образование соединений высшего порядка.

Комплексные соединения – сложные вещества, в которых мож­но выделить центральный атом (комплексообразователь) и связанные с ним молекулы и ионы – лиганды.

Центральный атом и лиганды образуют комплекс (внутреннюю сферу), который при записи формулы комплексного соединения заключают в квадратные скоб­ки. Число лигандов во внутренней сфере называется координацион­ным числом. Молекулы и ионы, окружающие комплекс, образуют внешнюю сферу. Пример комплексной соли гексацианоферрат (III) калия К 3 (так называемая красная кровяная соль).

Центральными атомами могут быть ионы переходных металлов или атомы некоторых неметаллов (Р, Si). Лигандами могут служить анионы галогенов (F – , Cl – , Br – , I –), ОН – , СN – , СNS – , NO 2 – и др., нейтральные молекулы Н 2 О, NH 3 , СО, NO, F 2 , Cl 2 , Br 2 , I 2 , гидразин N 2 H 4 , этилендиамин NH 2 –CH 2 –CH 2 –NH 2 и др.

Координационная валентность (КВ) или координационное число – число мест во внутренней сфере комплекса, которые могут быть заняты лигандами . Координационное число обычно больше степени окисления комплексообразователя, зависит от природы комплексообразователя и лигандов. Чаще встречаются комплексные соединения с координационной валентностью 4, 6 и 2.

Координационная емкость лиганда – число мест во внутренней сфере комплекса, занимаемых каждым лигандом. Для большинства лигандов координационная емкость равна единице, реже 2 (гидразин, этилендиамин) и более (ЭДТА - этилендиамминтетраацетат).

Заряд комплекса должен быть численно равен суммарному заряду внешней сферы и противоположным ему по знаку, но существуют и нейтральные комплексы. Степень окисления комплексообразователя равна и противоположна по знаку алгебраической сумме зарядов всех остальных ионов.

Систематические названия комплексных соединений формируются следующим образом: вначале называется в именительном падеже анион, затем раздельно в родительном падеже – катион. Лиганды в комплексе перечисляются слитно в следующем порядке: а) анионные; б) нейтральные; в) катионные. Анионы перечисляются в порядке H – , О 2– , ОН – , простые анионы, полиатомные анионы, органически анионы – в алфавитном порядке. Нейтральные лиганды называются так же, как молекулы, за исключением Н 2 О (аква) и NH 3 (аммин); к отрицательно заряженным ионам прибавляют соединительную гласную «о ». Число лигандов указывают приставками: ди-, три, тетра-, пента-, гекса- и т.д. Окончанием для анионных комплексов является «-ат » или «‑овая », если называется кислота; для катионных и нейтральных комплексов типичных окончаний нет.

H – тетрахлороаурат (III) водорода

(ОН) 2 – гидроксид тетраамминмеди (II)

Cl 4 – хлорид гексаамминплатина (IV)

– тетракарбонилникель

– гексацианоферрат (III) гексаамминкобальта (III)

Классификация комплексных соединений основана на различных принципах:

По принадлежности к определенному классу соединений :

- комплексные кислоты – H 2 , H 2 ;

- комплексные основания – (ОН) 2 ;

- комплексные соли – Li 3 , Cl 2 .

По природе лигандов:

- аквакомплексы (лигандами выступает вода) – SO 4 ∙H 2 O, [Со(Н 2 О) 6 ]Сl 2 ;

- аммиакаты (комплексы, лигандами в которых служат молекулы аммиака) – [Сu(NH 3) 4 ]SO 4 , Cl;

- ацидокомплексы (оксалатные, карбонатные, цианидные, галогенидные комплексы, содержащие в качестве лигандов анионы различных кислот) – K 2 , K 4 ;

- гидроксокомплексы (соединения с ОН-группами в виде лигандов) – К 3 [Аl(ОН) 6 ];

- хелатные или циклические комплексы (би- или полидентатный лиганд и центральный атом образуют цикл) – комплексы с аминоуксусной кислотой, ЭДТА; к хелатам относят хлорофилл (комплексообразователь – магний) и гемоглобин (комплексообразователь – железо).

По знаку заряда комплекса : катионные, анионные, нейтральные комплексы.

Особую группу составляют сверхкомплексные соединения. В них число лигандов превышает координационную валентность комплексообразователя. Так, в соединении CuSO 4 ∙5Н 2 О у меди координационная валентность равна четырем и во внутренней сфере координированы четыре молекулы воды, пятая молекула присоединяется к комплексу при помощи водородных связей: SO 4 ∙Н 2 О.

Лиганды связаны с центральным атомом донорно-акцепторной связью. В водном растворе комплексные соеди­нения могут диссоциировать с образованием комплексных ионов:

Cl ↔ + + Cl –

В незначительной степени, происходит диссоциация и внутренней сферы комплекса:

+ ↔ Ag + + 2NH 3

Мерой прочности комплекса есть константа нестойкости комплекса :

К нест + = C Ag + ∙ C2 NH 3 / C Ag(NH 3) 2 ] +

Вместо константы неустойчивости иногда пользуются обратной величиной, называемой константой устойчивости:

К уст = 1 / К нест

В умеренно разбавленных растворах многих комплексных солей существуют как комплексные, так и простые ионы. Дальнейшее разбавление может приводить к полному распаду комплексных ионов.

По простой электростатической модели В.Косселя и А.Магнуса, взаимодействие между комплексообразователем и ионными (или полярными) лигандами подчиняется закону Кулона. Устойчивый комплекс получается когда силы притяжения к ядру комплекса уравновешивают силы отталкивания между лигандами. Прочность комплекса увеличивается с ростом заряда ядра и уменьшением радиуса комплексообразователя и лигандов. Электростатическая модель очень наглядна, однако не в состоянии объяснить существование комплексов с неполярными лигандами и комплексообразователем в нулевой степени окисления; чем обусловлены магнитные и оптические свойства соединений.

Наглядным способом описания комплексных соединений является метод валентных связей (МВС), предложенный Полингом. В основе метода лежит ряд положений:

Связь между комплексообразователем и лигандами донорно-акцепторная. Лиганды предоставляют электронные пары, а ядро комплекса – свободные орбитали. Мерой прочности связи служит степень перекрывания орбиталей.

Орбитали центрального атома, участвующие в образовании связей, подвергаются гибридизации. Тип гибридизации определяется числом, природой и электронной структурой лигандов. Гибридизация электронных орбиталей комплексообразователя определяет геометрию комплекса.

Дополнительное упрочнение комплекса обусловлено тем, что наряду с σ-связями могут возникать и π-связи.

Магнитные свойства, проявляемые комплексом, объясняются исходя из заселенности орбиталей. При наличии неспаренных электронов комплекс парамагнитен. Спаренность электронов обусловливает диамагнетизм комплексного соединения.

МВС пригоден для описания только ограниченного круга веществ и не объясняет оптические свойства комплексных соединений, т.к. не учитывает возбужденные состояния.

Дальнейшим развитием электростатической теории на квантово-механической основе является теория кристаллического поля (ТКП). Согласно ТКП, связь между ядром комплекса и лигандами ионная или ион-дипольная. Основное внимание ТКП уделяет рассмотрению тех изменений, которые происходят в комплексообразователе под влиянием поля лигандов (расщепление энергетических уровней). Представление об энергетическом расщеплении комплексообразователя может быть использовано для объяснения магнитных свойств и окраски комплексных соединений.

ТКП приложима лишь к комплексным соединениям, в которых комплексообразователь (d -элемент) имеет свободные электроны, и не учитывает частично ковалентный характер связи комплексообразователь-лиганд.

Метод молекулярных орбиталей (ММО) учитывает детальную электронную структуру не только комплексообразователя, но и лигандов. Комплекс рассматривается как единая квантово-механическая система. Валентные электроны системы располагаются на многоцентровых молекулярных орбиталях, охватывающих ядра комплексообразователя и всех лигандов. Согласно ММО, рост энергии расщепления обусловлен дополнительным упрочнением ковалентной связи за счет π-связывания.

Основы современной координационной теории были изложены в конце прошлого века швейцарским химиком Альфредом Вернером , обобщившим в единую систему весь накопившийся к тому времени экспериментальный материал по комплексным соединениям. Им были введены понятия о центральном атоме (комплексообразователь ) и его координационном числе , внутренней и внешней сфере комплексного соединения, изомерии комплексных соединений, предприняты попытки объяснения природы химической связи в комплексах.

Все основные положения координационной теории Вернера используются и в настоящее время. Исключение составляет его учение о природе химической связи, которое представляет сейчас лишь исторический интерес.

Образование комплексного иона или нейтрального комплекса можно представить себе в виде обратимой реакции общего типа:

M + n L

где M – нейтральный атом, положительно или отрицательно заряженный условный ион, объединяющий (координирующий) вокруг себя другие атомы, ионы или молекулы L. Атом M получил название комплексообразователя или центрального атома .

В комплексных ионах 2+ , 2

- , 4 - , - комплексообразователями являются медь(II), кремний(IV), железо(II), бор(III).
Чаще всего комплексообразователем служит атом элемента в положительной степени окисления .
Отрицательные условные ионы (т.е. атомы в отрицательной степени окисления) играют роль комплексообразователей сравнительно редко. Это, например, атом азота(-III) в катионе аммония + и т.п.

Атом-комплексообразователь может обладать нулевой степенью окисления. Так, карбонильные комплексы никеля и железа, имеющие состав и , содержат атомы никеля(0) и железа(0).

Комплексообразователь (выделен синим цветом) может участвовать в реакциях получения комплексов, как будучи одноатомным ионом, например:

Ag + + 2 NH 3 [Ag (NH 3) 2 ] + ;
Ag + + 2 CN - [Ag (CN) 2 ]

-

так и находясь в составе молекулы:

Si F 4 + 2 F

- [Si F 6 ] 2 - ;

I 2 + I

- [I (I) 2 ] - ;

P H 3 + H + [P H 4 ] + ;

B F 3 + NH 3 [B (NH 3)F 3 ]

В комплексной частице может быть два и более атомов-комплексообразователей. В этом случае говорят о .

Комплексное соединение может включать несколько комплексных ионов , в каждом из которых содержится свой комплексообразователь .
Например, в одноядерном комплексном соединении состава (SO 4) 2 комплексообразователи K I и Al III , а в - Cu II и Pt IV .

В комплексном ионе или нейтральном комплексе вокруг комплексообразователя координируются ионы, атомы или простые молекулы (L). Все эти частицы, имеющие химические связи с комплексообразователем, называются лигандами (от латинского "ligare " - связывать). В комплексных ионах 2

- и 4 - лигандами являются ионы Cl - и CN - , а в нейтральном комплексе лиганды – молекулы NH 3 и ионы NCS - .

Лиганды, как правило, не связаны друг с другом, и между ними действуют силы отталкивания. В отдельных случаях наблюдается межмолекулярное взаимодействие лигандов с образованием водородных связей .

Лигандами могут быть различные неорганические и органические ионы и молекулы . Важнейшими лигандами являются ионы CN

- , F - , Cl - , Br - , I - , NO 2 - , OH - , SO 3 S 2- , C 2 O 4 2- , CO 3 2- , молекулы H 2 O, NH 3 , CO, карбамида (NH 2) 2 CO, органических соединений – этилендиамина NH 2 CH 2 CH 2 NH 2 , a -аминоуксусной кислоты NH 2 CH 2 COOH и этилендиаминтетрауксусной кислоты (ЭДТА) :

Чаще всего лиганд бывает связан с комплексообразователем через один из своих атомов одной двухцентровой химической связью. Такого рода лиганды получили название монодентатных . К числу монодентатных лигандов относятся все галогенид-ионы, цианид-ион, аммиак, вода и другие.

Некоторые распространенные лиганды типа молекул воды H 2

O, гидроксид-иона OH - , тиоцианат-иона NCS - , амид-иона NH 2 - , монооксида углерода CO в комплексах преимущественно монодентатны , хотя в отдельных случаях (в структурах) становятся бидентатными .

Существует целый ряд лигандов, которые в комплексах являются практически всегда бидентатными . Это этилендиамин, карбонат-ион, оксалат-ион и т.п. Каждая молекула или ион бидентатного лиганда образует с комплексообразователем две химические связи в соответствии с особенностями своего строения:

Например, в комплексном соединении NO 3

бидентатный лиганд – ион CO 3 2 - - образует две связи с комплексообразователем – условным ионом Co(III), а каждая молекула лиганда NH 3 – только одну связь:

Примером гексадентатного лиганда может служить анион этилендиаминтетрауксусной кислоты:

Полидентатные лиганды могут выступать в роли

мостиковых лигандов, объединяющих два и более центральных атома.

Важнейшей характеристикой комплексообразователя является количество химических связей, которые он образует с лигандами, или координационное число (КЧ ). Эта характеристика комплексообразователя определяется главным образом строением его электронной оболочки и обусловливается валентными возможностями центрального атома или условного иона-комплексообразователя ().

Когда комплексообразователь координирует монодентатные лиганды, то координационное число равно числу присоединяемых лигандов. А число присоединяемых к комплексообразователю полидентатных лигандов всегда меньше значения координационного числа.

Значение координационного числа комплексообразователя зависит от его природы, степени окисления, природы лигандов и условий (температуры, природы растворителя, концентрации комплексообразователя и лигандов и др.), при которых протекает реакция комплексообразования. Значение КЧ может меняться в различных комплексных соединениях от 2 до 8 и даже выше. Наиболее распространенными координационными числами являются 4 и 6.

Между значениями координационного числа и степенью окисления элемента-комплексообразователя существует определенная зависимость . Так, для элементов-комплексообразователей , имеющих степень окисления +I (Ag I , Cu I , Au I , I I

и др.) наиболее характерно координационное число 2 – например, в комплексах типа + , - , - .

Со степенью окисления +II (Zn

II , Pt II , Pd II , Cu II и др.) часто образуют комплексы, в которых проявляют координационное число 4, такие как 2+ , 2 - , 0 , 2

- , 2+ .

В аквакомплексах координационное число комплексообразователя в степени окисления +II чаще всего равно 6: 2+ , 2+ , 2+ .

Элементы-комплексообразователи , обладающие степенью окисления +III и +IV (Pt IV , Al III , Co III , Cr III , Fe III ), имеют в комплексах, как правило, КЧ 6.
Например, 3+ , 3 - , 2 - , 3 - , 3 - .

Известны комплексообразователи, которые обладают практически постоянным координационным числом в комплексах разных типов. Таковы кобальт(III), хром(III) или платина(IV) с КЧ 6 и бор(III), платина(II), палладий(II), золото(III) с КЧ 4. Тем не менее большинство комплексообразователей имеет переменное координационное число. Например, для алюминия(III) возможны КЧ 4 и КЧ 6 в комплексах

- и - .

Координационные числа 3, 5, 7, 8 и 9 встречаются сравнительно редко. Есть всего несколько соединений, в которых КЧ равно 12 – например, таких как K 9 .

Если в комплексном ионе или нейтральном комплексе содержатся два и более комплексообразователей, то этот комплекс называется многоядерным . Среди многоядерных комплексов выделяют мостиковые ,

кластерные и многоядерные комплексы смешанного типа .

Атомы комплексообразователя могут быть связаны между собой с помощью мостиковых лигандов , функции которых выполняют ионы OH - , Cl - , NH 2 - , O 2 2- , SO 4 2- и некоторые другие.
Так, в комплексном соединении (NH 4) 2 мостиковыми служат бидентатные гидроксидные лиганды :

В роли мостикового лиганда может выступать полидентатный лиганд, имеющий несколько донорных атомов (например, NCS - с атомами N и S, способными участвовать в образовании связей по донорно-акцепторному механизму), либо лиганд с несколькими электронными парами при одном и том же атоме (например, Cl - или OH -).

В том случае, когда атомы комплексообразователя связаны между собой непосредственно, многоядерный комплекс относят к кластерному типу .
Так, кластером является комплексный анион 2

- :

в котором реализуется четверная связь Re – Re: одна σ-связь, две π- связи и одна δ-связь. Особенно большое число кластерных комплексов насчитывается среди производных d -элементов.

Многоядерные комплексы смешанного типа содержат как связь комплексообразователь–комплексообразователь , так и мостиковые лиганды.
Примером комплекса смешанного типа может служить карбонильный комплекс кобальта состава , имеющий следующее строение:

Здесь имеется одинарная связь Co – Co и два бидентатных карбонильных лиганда CO, осуществляющих мостиковое соединение атомов-комплексообразователей.

________________________

Повторить:

_________________________

Комплексными называют соединения, в узлах кристаллов которых находятся комплексы (комплексные ионы), способные к самостоятельному существованию.

Значение комплексных соединений для различных областей техники очень велико. Способность веществ образовывать комплексные соединения используется для разработки эффективных методов получения химически чистых металлов из руд, редких металлов, сверхчистых полупроводниковых материалов, катализаторов, красителей, лекарственных препаратов, очистки природных и сточных вод, растворения накипи в парогенераторах и т.п.

Первые комплексные соединения были синтезированы в середине 19 века. Основоположником теории комплексных соединений стал швейцарский ученый Вернер, разработавший в 1893 г. координационную теорию . Большой вклад в химию комплексных соединений внесли русские ученые Л.А. Чугаев, И.И. Черняев и их ученики.

Структура комплексных соединений:

1. В каждом комплексном соединении различают внутреннюю и внешнюю сферы . Внутреннюю сферу называют комплексом. При написании химических формул комплексных соединений внутреннюю сферу заключают в квадратные скобки. Например, в комплексных соединениях а) К 2 [ВеF 4 ], б) Cl 2 , внутреннюю сферу составляют группировки атомов - комплексы а) [ВеF 4 ] 2- и б) 2+ , а внешнюю сферу составляют соответственно ионы а) 2К + и б) 2Сl - .

2. В молекуле любого комплексного соединения один из ионов, обычно положительно заряженный, или атом внутренней среды занимает центральное место и называется комплексообразователем . В формуле комплекса (внутренней сферы) комплексообразователь указывается первым. В приведенных примерах это ионы а) Ве 2+ и б) Zn 2+ .

Комплексообразователями являются атомы или чаще ионы металлов, относящиеся к p-, d-, f- элементам и имеющие достаточное число свободных орбиталей (Cu 2+ , Pt 2+ , Pt 4+ , Ag + , Zn 2+ , Al 3+ и т.д.).

3. Вокруг комплексообразователя расположено (или, как говорят, координировано) некоторое число противоположно заряженных ионов или электронейтральных молекул, называемых лигандами (или аддендами). В данном случае это а) ионы F - и б) молекулы NН 3 .

Лигандами в комплексных соединениях могут служить анионы F - , OH - , CN - , CNS - , NO 2 - , CO 3 2- , C 2 O 4 2- и др., нейтральные молекулы Н 2 О, NН 3 , СО, NО и др.

Число координационных мест, занятых лигандами вокруг комплексообразователя (в простейших случаях - число лигандов, окружающих комплексообразователь), называется координационным числом (к.ч.) комплексообразователя. Координационные числа различных комплексообразователей имеют значение от 2 до 12.

Ниже сопоставлены наиболее характерные координационные числа в растворах и заряд центрального иона (комплексообразователя):

Примечание: подчеркнуты чаще встречающиеся координационные числа в тех случаях, когда возможны два различных типа координации.

В рассмотренных примерах координационные числа комплексообразователей составляют: а) к.ч. (Ве 2+) = 4, б) к.ч. (Zn 2+) = 4.

Б. Затем называют числа и названия нейтральных лигандов:

В. Последним называется комплексообразователь в родительном падеже с указанием степени его окисления (в скобках римскими цифрами после названия комплексообразователя).

Например, Cl - хлорид хлоротриамминплатины (II).

Если металл образует ион с одной степенью окисления, то она в название комплекса может не входить. Например, Cl 2 - дихлорид тетраамминцинка.

2. Название комплексного аниона образуется аналогичным образом, с добавлением суффикса «ат» к корню латинского названия комплексообразователя (например, феррат, никелат, хромат, кобальтат, купрат и т.д.). Например :

K 2 - гексахлороплатинат (IV) калия;

Ba 2 - тетрароданодиамминхромат (III) бария;

K 3 - гексацианоферрат (III) калия;

K 2 - тетрафторобериллат калия.

3. Названия нейтральных комплексных частиц образуются так же, как и катионов, но комплексообразователь называют в именительном падеже, а степень его окисления не указывают, т.к. она определяется электронейтральностью комплекса. Например:

Дихлородиамминплатина;

Тетракарбонилникель.

Классификация комплексных соединений. Комплексные соединения очень разнообразны по строению и свойствам. Системы их классификации основываются на различных принципах:

1. По характеру электрического заряда различают катионные, анионные и нейтральные комплексы.

Комплекс с положительным зарядом называют катионным, например 2+ , с отрицательным зарядом - анионным, например 2- , с нулевым зарядом - нейтральным, например .

2. По типу лигандов различают:

а) кислоты, например:

H - тетрахлороаурат (III) водорода;

H 2 - гексахлороплатинат (IV) водорода;

б) основания, например:

(OH) 2 - гидроксид тетраамминмеди (II);

OH - гидроксид диамминсеребра;

в) соли, например:

K 3 - гексагидроксоалюминат калия;

Cl 3 - хлорид гексааквахрома (III);

г) неэлектролиты, например, - дихлородиамминплатина.

Образование химических связей в комплексных соединениях. Для объяснения образования и свойств комплексных соединений в настоящее время применяют ряд теорий:

1) метод валентных связей (МВС);

2) теория кристаллического поля;

3) метод молекулярных орбиталей.

Согласно МВС при образовании комплексов между комплексообразователем и лигандами возникает ковалентная связь по донорно-акцепторному механизму . Комплексообразователи имеют вакантные орбитали, т.е. играют роль акцепторов. Как правило, в образовании связей участвуют различные вакантные орбитали комплексообразователя, поэтому происходит их гибридизация. Лиганды имеют неподеленные пары электронов и играют роль доноров в донорно-акцепторном механизме образования ковалентной связи.

Для примера рассмотрим образование комплекса 2+ . Электронные формулы валентных электронов:

Атома Zn - 3d 10 4s 2 ;

Комплексообразователя иона цинка

Zn 2+ - 3d 10 4s 0

Как видно, у иона цинка на внешнем электронном уровне имеются четыре близкие по энергии вакантные атомные орбитали (одна 4s и три 4р), которые будут подвергаться sр 3 - гибридизации; ион Zn 2+ , как комплексообразователь, имеет к.ч.=4.

При взаимодействии иона цинка с молекулами аммиака, атомы азота которого имеют неподеленные пары электронов (:NН 3), образуется комплекс :

Пространственная структура комплекса определяется типом гибридизации атомных орбиталей комплексообразователя (в данном случае тетраэдр). Координационное число зависит от числа вакантных орбиталей комплексообразователя.

При образовании донорно-акцепторных связей в комплексах могут использоваться не только s- и р- орбитали, но и d- орбитали. В этих случаях происходит гибридизация с участием d-орбиталей. Ниже в таблице приведены некоторые виды гибридизации и соответствующие им пространственные структуры:

Таким образом, МВС позволяет предсказать состав и структуру комплекса. Однако этот метод не может объяснить такие свойства комплексов, как прочность, цвет и магнитные свойства. Вышеуказанные свойства комплексных соединений описывает теория кристаллического поля.

Диссоциация комплексных соединений в растворах. Внутренняя и внешняя сфера комплексного соединения сильно различаются по устойчивости.

Частицы, находящиеся во внешней сфере, связаны с комплексным ионом преимущественно электростатическими силами (ионная связь) и легко отщепляются в водном растворе подобно ионам сильных электролитов.

Диссоциация (распад) комплексного соединения на ионы внешней сферы и комплексный ион (комплекс) называется первичной. Она протекает почти нацело, до конца, по типу диссоциации сильных электролитов.

Например, процесс первичной диссоциации при растворении тетрафторобериллата калия может быть записан по схеме:

К 2 [ВеF 4 ] = 2К + + [ВеF 4 ] 2- .

Лиганды , находящиеся во внутренней сфере комплексного соединения, связаны с комплексообразователем прочными ковалентными связями, образованными по донорно-акцепторному механизму, и диссоциация комплексных ионов в растворе осуществляется, как правило, в незначительной степени по типу диссоциации слабых электролитов, т.е. обратимо до установления состояния равновесия. Обратимый распад внутренней сферы комплексного соединения носит название вторичной диссоциации. Например, ион тетрафторобериллат диссоциирует лишь частично, что выражается уравнением

[ВеF 4 ] 2- D Ве 2+ + 4F - (уравнение вторичной диссоциации).

Диссоциация комплекса как обратимый процесс характеризуется константой равновесия, называемой константой нестойкости комплекса К н.

Для рассматриваемого примера:

К н - табличная (справочная) величина. Константы нестойкости, в выражения которых входят концентрации ионов и молекул, называются концентрационными. Более строгими и не зависящими от состава и ионной силы раствора являются К н, содержащие вместо концентрации активности ионов и молекул.

Значения К н различных комплексов колеблются в широких пределах и могут служить мерой их устойчивости. Чем устойчивее комплексный ион, тем меньше его константа нестойкости.

Так, среди однотипных соединений, обладающих различными значениями констант нестойкости

наиболее устойчив комплекс - , а наименее устойчив - .

Как и любая константа равновесия, константа нестойкости зависит только от природы комплексного иона, комплексообразователя и лигандов, растворителя, а также от температуры и не зависит от концентрации (активности) веществ в растворе .

Чем больше заряды комплексообразователя и лигандов и чем меньше их радиусы, тем выше устойчивость комплексов. Прочность комплексных ионов, образованных металлами побочных подгрупп, выше прочности ионов, образованных металлами главных подгрупп.

Процесс распада комплексных ионов в растворе протекает многоступенчато, с последовательным отщеплением лигандов. Например, диссоциация иона аммиаката меди (II) 2+ происходит по четырем ступеням, соответствующим отрыву одной, двух, трех и четырех молекул аммиака:

Для сравнительной оценки прочности различных комплексных ионов пользуются не константой диссоциации отдельных ступеней, а общей константой нестойкости всего комплекса, которую определяют перемножением соответствующих констант ступенчатой диссоциации. Например, константа нестойкости иона 2+ будет равна:

K H = K Д1 · K Д2 · K Д3 ·K Д4 = 2,1·10 -13 .

Для характеристики прочности (устойчивости) комплексов применяют также величину, обратную константе нестойкости, ее называют константой устойчивости (К уст) или константой образования комплекса:

Равновесие диссоциации комплексного иона может смещаться избытком лигандов в сторону его образования, а уменьшение концентрации одного из продуктов диссоциации, наоборот, может привести к полному разрушения комплекса.

С помощью качественных химических реакций обычно обнаруживаются только ионы внешней сферы или комплексные ионы. Хотя все зависит от произведения растворимости (ПР) соли, образование которой протекало бы при добавлении соответствующих растворов в качественных реакциях. В этом можно убедиться на основании следующих реакций. Если на раствор, содержащий комплексный ион + , подействовать раствором какого-нибудь хлорида, то осадка не образуется, хотя из растворов обычных солей серебра при добавлении хлоридов выделяется осадок хлорида серебра.

Очевидно, концентрация ионов серебра в растворе слишком мала, чтобы при введении в него даже избытка хлорид-ионов можно было бы достигнуть величины произведения растворимости хлорида серебра (ПР АgСl = 1,8·10 -10). Однако после прибавления к раствору комплекса йодида калия выпадает осадок йодида серебра. Это доказывает, что ионы серебра все же имеются в растворе. Как ни мала их концентрация, но она оказывается достаточной для образования осадка, т.к. ПР АgI = 1·10 -16 , т.е. значительно меньше, чем у хлорида серебра. Точно так же при действии раствора Н 2 S получается осадок сульфида серебра Аg 2 S, произведение растворимости которого равно 10 -51 .

Ионно-молекулярные уравнения протекающих реакций имеют вид:

I - D АgI↓ + 2NН 3

2 + + H 2 S D Ag 2 S↓ + 2NH 3 + 2NH 4 + .

Комплексные соединения с малоустойчивой внутренней сферой называют двойными солями. Обозначают их иначе, а именно - как соединения молекул. Например: СаСО 3 ·Nа 2 СО 3 ; СuСl 2 ·КСl; КСl·MgСl 2 ; 2NaСl·СoСl 2 . Двойные соли можно рассматривать как соединения, в узлах кристаллической решетки которых находятся одинаковые анионы, но разные катионы; химические связи в этих соединениях носят преимущественно ионный характер и поэтому в водных растворах они диссоциируют практически полностью на отдельные ионы. Если, например, растворить в воде хлорид калия и меди (II), то происходит диссоциация по типу сильного электролита:

CuCl 2 ·KCl = Cu 2+ + 3Cl - + K + .

Все образовавшиеся в растворе двойной соли ионы можно обнаружить с помощью соответствующих качественных реакций.

Реакции в растворах комплексных соединений. Смещение равновесия в обменных реакциях в растворах электролитов с участием комплексных ионов определяется теми же правилами, что и в растворах простых (некомплексных) электролитов, а именно: равновесие смещается в направлении возможно более полного связывания ионов (комплексообразователя, лигандов, ионов внешней сферы), приводящего к образованию нерастворимых, малорастворимых веществ или слабых электролитов.

В связи с этим в растворах комплексных соединений возможны реакции:

1) обмена ионов внешней сферы, при котором состав комплексного иона остается постоянным;

2) внутрисферного обмена.

Первый тип реакции реализуется в тех случаях, когда это приводит к образованию нерастворимых и малорастворимых соединений. Примером может быть взаимодействие K 4 и K 3 соответственно с катионами Fе 3+ и Fе 2+ , которое дает осадок берлинской лазури Fe 4 3 и турнбулевой сини Fe 3 2:

3 4- + 4Fe 3+ = Fe 4 3 ↓,

берлинская лазурь

2 3- + 3Fe 2+ = Fe 3 2 ↓.

турнбулева синь

Реакции второго типа возможны в тех случаях, когда это приводит к образованию более устойчивого комплекса, т.е. с меньшим значением К н, например :

2S 2 O 3 2- D 3- + 2NН 3 .

К н: 9,3·10 -8 1·10 -13

При близких значениях К н возможность такого процесса определяется избытком конкурирующего лиганда.

Для комплексных соединений возможны и окислительно-восстановительные реакции, проходящие без изменения атомного состава комплексного иона, но с изменением его заряда, например:

2K 3 + H 2 O 2 + 2KOH = 2 K 4 + O 2 + 2H 2 O.