Строение комплексных соединений

Силы притяжения действуют не только между атомами, но и между молекулами. Взаимодействие молекул часто приводит к образованию других, более сложных молекул. Например, газообразные вещества при соответствующих условиях переходят в жидкое и твердое агрегатное состояние, любое вещество в какой-то мере растворимо в другом веществе. Во всех этих случаях наблюдается взаимная координация взаимодействующих частиц, которую можно определить как комплексообразование. Причиной комплексообразования может быть как электростатическое, так и донорно-акцепторное взаимодействие, осуществляемое между ионами и молекулами, между молекулами.

Основы современных представлений о строении комплексных соединений были заложены швейцарским химиком Альфредом Вернером в 1893 г.

Комплексные соединения - это соединения, характеризующиеся наличием хотя бы одной ковалентной связи, возникшей по донарно-акцепторному механизму.

В центре каждого комплекса находится атом, называемый центральным или комплексообразователем. Атомы или ионы, непосредственно связанные с центральным атомом, называются лигандами. Число, показывающее, сколько лигандов удерживает комплексообразователь, называют координационным числом. Комплексообразователь и лиганды образуют внутреннюю сферу . Внутренняя сфера отделяется от внешней - квадратными скобками. Вне комплекса располагаются ионы, имеющие противоположный по знаку заряд по сравнению с зарядом самого комплекса - эти ионы составляют внешнюю сферу.

Например: К3

внешняя внутренняя

сфера

Fe 3+ - комплексообразователь; СN - лиганд; 6 - координационное число;

3- - комплексный ион.

Номенклатура комплексных соединений

Для наименования комплексных соединений используют сложную систему номенклатурных правил.

1. Названия комплексных соединений состоят из двух слов, обозначающих внутреннюю и внешнюю сферу.

2. Для внутренней сферы указывается:

Число лигандов;

Название лиганда;

Центральный атом с валентностью.

3. По международной номенклатуре сначала называется катион, затем анион.

4. Если в соединение входит комплексный катион, то дается русское название элемента комплексообразователя.

5. Если в соединение входит комплексный анион, то комплексообразователю дается латинское название элемента с окончанием «-ат».

6. В нейтральных комплексах степень окисления центрального атома не указывается.

7. Название лигандов в большинстве случаев совпадают с обычными названиями веществ. К анионным лигандам добавляется суффикс «-о».

Например: CN - - циано, NO2 - - нитро, CI - - хлоро, ОН - - гидроксо, Н + -гидро, О 2- - оксо, S 2- - тио, CNS - - родано или тицианато, С2О4 2- - оксалато и т.д.

8. Лиганды – нейтральные молекулы имеют специфические названия:

Вода – аква, аммиак – амин, оксид углерода (II) – карбонил.

9. Число лигандов указывается латинскими или греческими числительными:

	Моно
	Ди
	Три
	Тетра
	Пента
	Гекса
	Гепта
	Окта

10. В смешанно-лигандных комплексах сначала перечисляются анионные лиганды, а потом молекулярные. При наличии нескольких разных анионных или молекулярных лигандов они перечисляются по алфавиту.

Примеры

CI - хлорид диамминсеребра(I)

К - дицианоаргенат (I) калия

CI3 - хлорид хлоропентаамминплатина (IV) или трихлорид хлоропентаамминплатина

К - пентахлороамминплатинат (IV) калия

SO4 - сульфат хлоронитротриамминплатина(II).

К3- гексацианоферрат (III) калия,

- тринитротриамминкобальт.

3. Классификация комплексов.

По характеру электрического заряда различают катионные, анионные и нейтральные комплексы. Заряд комплекса представляет собой алгебраическую сумму зарядов образующих его частиц.

Катионный комплекс образован в результате координации вокруг положительного иона нейтральных молекул (Н2О, NН3 идр.)

Соединения, содержащие амминокомплексы (NН3), называются аммиакатами, содержащие аквакомплексы (Н2О) - гидратами.

В роли комплексообразователя в анионном комплексе выступает атом с положительной степенью окисления (положительный ион), а лигандами являются атомы с отрицательной степенью окисления (анионы). Например: К2 - тетрафторобериллат (II) калия.

Нейтральные комплексы образуются при координации вокруг атома молекул, а также при одновременной координации вокруг положительного иона-комплексообразователя отрицательных ионов и молекул. Например: - дихлородиамминплатина (II). Электронейтральные комплексы являются комплексными соединениями без внешней сферы.

Роль комплексообразователя может играть любой элемент периодической системы. Неметаллические элементы обычно дают анионные комплексы. Металлические элементы образуют комплексы катионного типа.

Лиганды. Различные комплексообразователи могут координировать около себя лиганды трех типов:

1. Лиганды анионного типа - элементарные и сложные отрицательно заряженные ионы, например гилид-, оксид-, гидроксид-, нитрат-, карбонат-ионы и др.

2. Нейтральными лигандами могут быть полярные молекулы воды, аммиака и т.д.

3. Лиганды катионного типа встречаются редко и координируются только вокруг отрицательно поляризованных атомов. Пример: положительно поляризованный атом водорода.

Лиганды, образующие одну связь с центральным атомом, называются бидентатными . Лиганды, способные образовывать три и более связей с центральным атомом, называются полидентатными. Комплексные соединения с би- и полидентатными лигандами называют хелатными комплексами .

Обычные лиганды, образующие одну связь с металлом называют монодентатными.

4. Диссоциация комплексных соединений. Константа нестойкости.

Комплексные соединения - электролиты, при диссоциации в водных растворах образуют комплексные ионы, например:

CI = + + CI -

Такая диссоциация протекает полностью. Комплексные ионы в свою очередь подвергаются вторичной диссоциации.

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.

Название соли образуется из названия аниона, за которым следует название катиона (табл. 4.17). В названиях кислых солей к аниону присоединяют приставку гидро-. Численные приставки используются только в названиях некоторых кислых солей. В названиях двойных солей катионы перечисляются в алфавитном порядке. В названиях основных солей анионы перечисляются в алфавитном порядке.

Названия гидратных солей образуются двумя способами. Если известно, что одна или несколько молекул воды координированы с центральным атомом комплексного иона, можно воспользоваться системой наименования комплексных ионов, описанной выше. Для более распространенных гидратных солей степень гидратации указывают численной приставкой к слову «гидрат». Например, CuSO4 5H2O называется пента-гидрат сульфата меди (II).

Комплексные ионы

Комплексный ион состоит из центрального атома, связанного с несколькими лиган-дами-другими атомами, ионами либо группами атомов.

Формулу комплексного иона заключают в квадратные скобки. Заряд такого иона указывают за правой скобкой. В скобках сначала указывают символ центрального атома. За ним следуют формулы анионных лигандов, а затем нейтральных лигандов, перечисляемых в алфавитном порядке их донорного атома (см. гл. 14). Многоатомные лиганды записывают в круглых скобках.

В названиях комплексных ионов сначала указывают лиганды. Их перечисляют в алфавитном порядке, не учитывая численных приставок. Название комплексного иона завершается названием металла с указанием соответствующей степени окисления (в скобках). В названиях комплексных катионов используются русские названия металлов (табл. 4.14.)*. В названиях комплексных анионов используются латинские названия металлов с суффиксом -am.

В табл. 4.15 указаны названия и формулы некоторых наиболее распространенных лигандов, а в табл. 4.16 -названия комплексных анионов некоторых металлов.

Класс: 11

Ключевые слова: соединения , комплексные ионы

Модульный урок

Структура модуля

УЭ-0. Интегрирующие дидактические цели.

УЭ-1. Повторение. Химическая связь, схема ее образования.

УЭ-2. Координационная теория Альфреда Вернера.

УЭ-3. Классификация комплексных соединений.

УЭ-4. Получение комплексных соединений.

УЭ-5. Применение, значение комплексов.

УЭ-6. Свойства комплексных соединений.

УЭ-7. Резюме.

УЭ-8. Контроль.

Оборудование к уроку. На демонстрационном столе:

• концентрированные растворы соляной кислоты и аммиака;
• растворы сульфата алюминия и гидроксида натрия, сульфата меди (П), хлорида железа (III), роданида калия; кристаллический калий железосинеродистый (красная кровяная соль);
• демонстрационные пробирки или цилиндры, экран с подсветкой;
• магнитная доска с набором аппликаций;
• плакат с изображением структурных формул молекул хлорофилла и гемоглобина;
• таблица "Состав комплексных соединений";
• вытяжка хлорофилла в этаноле.

УЭ-0. Интегрирующие дидактические цели

1. Повторить механизм образования ковалентной связи.
2. Познакомиться с новым классом соединений, классификацией.
3. Изучить содержание теории комплексных соединений.
4. Используя химический эксперимент, добиться усвоения получения, физических и химических свойств комплексных соединений.
5. Комплексные соединения в окислительно-восстановительных реакциях.
6. Познакомиться с применением веществ данного класса.

УЭ-1. Механизм образования ковалентной связи

Частные дидактические цели:

1. Повторить механизм образования ковалентной связи.
2. Образование ковалентной связи в молекулах воды, гидроксония, иона аммония.

Руководство. Запишите схему образования молекул: воды, иона гидроксония и аммония. Объясните механизм образования иона аммония.

Донорно-акцепторная связь в ионе аммония. Что является донором, а что является акцептором?

УЭ-2. Координационная теория Альфреда Вернера

Частные дидактические цели:

1. Мотивация, постановка проблемы.
2. Знакомство с новым классом соединений.
3. Изучение строения комплексных соединений (комплексообразователь, лиганды, внутренняя сфера, внешняя сфера).
4. Диссоциация комплексов на внешнюю и внутреннюю сферу.
5. Уметь определять координационное число комплексообразователя.
6. Определять вид химической связи между комплексообразователем и лигандами, внешней и внутренней сферой.
7. Уметь называть комплексные соединения.

1. Руководство

В 1597 году немецкий алхимик и врач Либавий проводил опыты с медным купоросом в поисках лекарства для лечения ран, кожных болезней. Повторите старинный опыт, которому в 2007 году исполнилось 410 лет.

Налейте в химический стакан на 1/4 объема раствор сульфата меди(II) и небольшими порциями добавьте раствор аммиака.

Запишите уравнение химической реакции. Ваши наблюдения?

CuSO4 + NH3*H2O= ? + ?

Совпадают ли Ваши наблюдения с предполагаемым продуктом реакции? Объясните Ваши наблюдения, укажите цвет и агрегатное состояние полученного вещества.

Что кроется за калейдоскопом цветов?

Либавий не нашел объяснения случившемуся, бессильны оказались и все его современники. Так Либавий получил первое комплексное соединение, природу которого химики выяснили только в конце ХIХ века. Классическое учение о валентности, разработанное А. Кекуле, Э. Франклендом не могло объяснить, за счет чего объединяются валентно насыщенные молекулы.

Сможете ли вы объяснить проведенные опыты?

2. Ознакомьтесь с теоретическим материалом, запишите основные понятия в тетрадь, ответьте на вопросы самоконтроля

Опорный конспект

В конце XIX века швейцарский химик А.Вернер в 1893 году разработал координационную теорию, в основе которой положения теории пространственного строения веществ и теория электролитической диссоциации.

Были ведены следующие понятия:1) комплексные соединения; 2) атом-комплексообразователь (или центральный атом); 3) лиганды (атомы, ионы, полярные молекулы или неполярные молекулы, связанные с центральным атомом);

4) координационное число центрального атома (число лигандов).

Комплексный ион - это ион, состоящий из комплексообразователя и лигандов(внутренняя сфера).

Комплексообразователь (центральный атом или ион) - это атом (или ион), к которому присоединено определённое число молекул или ионов.

Лиганд - молекула или ион, входящий в состав комплексного иона, связанный с центральным атомом (ионом) донорно-акцепторной связью. "Лиганд" переводится как "связанный".

Вакансия - свободная электронная ячейка d-металла, которая может быть использована для образования донорно-акцепторной связи с лигандами.

Комплексное соединение - сложное вещество, в состав которого входит комплексный ион.

1. Соединения, имеющие в своём составе комплексные ионы, относятся к комплексным соединениям.

Координационное число (К.Ч.) - число, указывающее количество лигандов, которое способен присоединить к себе комплексообразователь. Может иметь значения 2, 4, 6, 8, 10 и другие.

Суммарный заряд образовавшегося комплексного иона равен алгебраической сумме зарядов центрального атома (иона) и лигандов.

Названия комплексных соединений: Na - тетрагидроксоалюминат натрия,

SO 4 - сульфат тетраамминмеди (II).

Вывод. Связи между комплексообразователем и лигандами осуществляются с помощью электронных пар. Оба электрона каждой связи предоставляются одним атомом, то есть связи образуются по донорно-акцепторному механизму. Донор электронов - лиганды (молекулы аммиака), а акцептор - центральный атом (ион - комплексообразователь Zn 2+) .

Пространственное строение комплексных соединений.

Ионы-комплексообразователи (акцепторы) предоставляют свои свободные орбитали, а лиганды (доноры) оба электрона. Пространственное строение комплексного иона определяется типом гибридизации орбиталей.

- , +

линейная молекула -- sp-гибридизация, тетраэдр sp-гибридизация.

Проверьте свои знания

Самоконтроль (УЭ-2)

I уровень

K 2 , Na 4 , (N0 3) 2 . (1балл)

Пример ответа: K 2 = 2К + + 2- .

2. Составить формулу комплексного соединения, если известно, что его молекула содержит ионы Ni 2+ , 3C1 , а также три молекулы NH 3 . (2балл а)

3. Определить внутреннюю и внешнюю сферы комплексного соединения, координационное число (к. ч.) металла, заряд центрального иона металла, заряд комплексного иона для соединений:

H 4 , S0 4 , K 4 , Cl 3 . (2балла)

Пример ответа: H 4 + , к. ч. = 6. внешняя, внутренняя сфера

II уровень

1. Написать уравнения диссоциации веществ:

K 4 ,

Na 2 ;

Cl 2 ;

[А1(Н 2 О) 6 ] С1 3 (1балл)

2. Напишите формулу комплексного иона, в котором комплексообразователь - ион Fe 3 + с к. ч. равным 6, а лиганды - ионы F. Каков заряд комплексного иона? (2балла)

3. Определите координационное число центрального атома в комплексах, внутреннюю и внешнюю сферу, заряд комплексного иона: C1; K 4 ; [Со(NН 3) 3 ]С1 3 . Запишите диссоциацию данных веществ. (2 балла )

Если вы набрали 4-5 баллов, приступайте к изучению следующего учебного элемента.

Если же вы набрали меньше 4 баллов, то вернитесь и прочитайте еще раз УЧЕБНЫЙ ЭЛЕМЕНТ-1 (УЭ-1), поработайте с опорным конспектом.

Ознакомьтесь с теоретическим материалом УЭ-3, проверьте свои знания самоконтролем.

УЭ-3. Классификация комплексных соединений

Частные дидактические цели:

1. Познакомиться с классификацией комплексных соединений по составу внутренней и внешней сферы;

В зависимости от природы лиганда различают:

1) аквакомплексы (Н 2 О): [Сг(Н 2 О) 6 ]С1 3 ;

2) аммиакаты (NH 3): SO 4 , Cl;

3) гидроксокомплексы (ОН~): K 2 , Na2;

4) ацидокомплексы (кислотные остатки): K 4 , K 2 ;

5) комплексы смешанного типа: Cl, C1 4 , C1О 4 .

Центральным атомом могут быть как ионы металла так и ионы неметалла.

Центральный атом - неметалл: К - тетрафтороборат(III) калия.

Центральный атом - металл: Na -тетрагидроксоалюминат натрия.

Состав комплексных соединений

Состав
Внутренняя сфера		(комплексный ион)		внешняя сфера	К.ч. центрального атома (иона)
комплексные соединения	названия комплексных соединений	центральный атом	лиганды
NH 4 C1	Хлорид аммония	Н +	NH 3	Cl	1
Na	Тетрагидроксоалюминат натрия	А1 3+	4ОН	Na+	4
S0 4	Сульфат тетраамминмеди (II)	Си 2+	4NH 3	S0	4
K 3	Гексацианоферрат (III) калия	Fe	6CN	ЗК +	6
Fe 3 2	Гексацианоферрат (III) железа (II)	Fe	6CN	3Fe 2 +	6

Проверьте свои знания

Самоконтроль (УЭ-3)

I уровень

1.Из предложенных ниже ответов выберите тот, который характеризует ион-комплексообразователь и его заряд в соединении Na 4 :

a) Fe 3+ ; б) CN; в) Fe 2 + ; г) Na + ; д) Na.

2. Какая из приведенных ниже формул соответствует гексагидроксоалюминату натрия:

а) [А1(Н 2 О) 6 ] С1 3 ; б) Na; в) Na [А1(ОН) 4 (Н 2 0) 2 ]; г) NaAlO 2 ; д) Na 3 ?

3.Какие ионы образует при электролитической диссоциации в воде хлорид тетраамминмеди (II) : C1 2: a) Си 2+ , Сl; б) 2+ , Сl; в) Cu 2+ , NH 3 , Сl; г) Сl; д) +, Сl?

II уровень

1. Из предложенных ниже ответов выберите тот, который характеризует центральный ион и его заряд в соединении Cl 2: a) Zn 2+ ; б) NН 3 ; в) 2+ ; г) Сl; д) N -3 .

2. Какая из приведенных ниже формул соответствует сульфату тетраамминмеди (II):

a) SO 4 -H 2 O;

б) К ;

в) Cl 2 ;

г) SO 4 ;

д) SO 4 ?

3. Какие ионы образует при электролитической диссоциации в воде диакватетрагидроксоалюминат натрия Na :

a) Na + ; б) Аl, ОН", Na + ;

в) Na + , - ;

г) Na + , ОН";

д) Na + , - ?

За каждый правильный ответ (1 балл)

УЭ-4. Получение комплексных соединений

Частные дидактические цели:

1. На практике получить комплексные соединения, исследовать их свойства.

2. Записывать химические реакции в молекулярном и ионном виде.

3. Уметь составлять химические формулы комплексных соединений, называть комплексы.

Опыт № 1 . Растворение амфотерных гидроксидов в избытке щелочи.

К раствору сульфата алюминия по капле добавьте щелочь, получите осадок, затем растворите его в избытке щелочи.

1. Объясните результаты проведенных опытов.

2. Запишите уравнения проведённых реакций.

3. Какое пространственное строение комплексного иона?

К раствору хлорида цинка добавьте по каплям гидроксид калия до появления белого студенистого осадка гидроксида цинка. Разделите в две пробирки: в одну добавьте избыток КОН, а в другую - раствор аммиака. Что наблюдаете?

1. Составьте уравнения всех проведенных реакций.

2. Определите координационное число иона Zn 2+ , заряд комплексного иона, внешнюю сферу.

К раствору роданита калия (KCNS ) добавьте хлорид железа(III), получите красную кровяную соль, запишите её формулу, назовите полученный комплекс.

KCNS + FeCl 3 = ? + KCl роданит калия

1. Допишите уравнение проведенной реакции.

2. Запишите краткое ионное уравнение.

3. Каково пространственное строение комплексного иона?

За каждый правильно оформленный опыт Вы получаете по 2 балла.

Задание. Уравняйте методом электронного баланса или методом полуреакций окислительно-восстановительные реакции, каждое уравнение (3балла).

В настоящее время золото извлекают из руд цианидным методом предложенным князем Петром Романовичем Багратионом - племянником героя войны 1812 г.

Пример 1: Au + NaCN + H 2 O + O 2 -> Na + NaOH

Пример 2: Растворение золота в "царской водке".

Au + HNO 3 + HCl -> H + NO + H 2 O

УЭ-5. Практическое применение, значение комплексных соединений

Частные дидактические цели:

1. Ознакомиться с применением комплексных соединений.

2.Качественные реакции на ионы металлов.

3. Природные комплексы (хлорофилл и гемоглобин).

Руководство. Познакомьтесь с применением комплексных соединений.

Великий Гете сказал: "Просто знать - еще не все, знания нужно уметь использовать".

Ряд комплексных соединений применяют для распознавания тех или иных ионов.

Желтая кровяная соль (K 4 ) служит реагентом на катионы железа Fe, а красная кровяная соль (K 3 ) реагентом на катионы железа Fe.

Опыт №4. Качественная реакция на ионы Fe .

К раствору хлорида железа(Ш) прилейте 2-3 капли раствора желтой кровяной соли K 4 4K + + 4--

4Fe 3+ +3 4- -> Fe 4 3+ 3 4--

берлинская лазурь (темно-синий осадок)

Образуется темно-синий осадок берлинской лазури, или гексацианоферрата(П) железа(Ш). Берлинская лазурь была случайно получена в 1704 г. немецким мастером Дисбахом, готовившим краски для художников. В России ее применяли для окраски тканей, бумаги, в иконописи и при создании фресок.

Желтая кровяная соль (синильно-кислый поташ, синь-кали) - вещество ядовитое. Это соединение получали из животных отбросов (кровь, копыта, шкуры, сухая рыба, кожа, мясо, шерсть и другое), поэтому оно имеет такое название. Закупать ее в России можно было только с разрешения полиции.

Опыт №5 . Качественная реакция на ионы Fe 2+ .

К раствору сульфата железа(П) прильем несколько капель раствора красной кровяной соли K 3 . В растворе эта соль диссоциирует на ионы.

K 3 3K + з-

3Fe +2 = Fe 3 2

турнбулева синь

Образуется темно-синий осадок турнбулевой сини, или гексацианоферрата(Ш) железа(П). Турнбулева синь названа в честь Турнбуля (дед английского физика и химика У. Рамзая), владевшего заводом, на котором производились вещества, применяемые для крашения тканей.

Таким образом, соединения K 4 являются важными аналитическими реагентами соответственно на катионы Fe 3+ и Fe 2+ .

Вывод: комплексные соединения чрезвычайно разнообразны по составу и строению, поскольку может быть много различных комбинаций не только из разных, но и из одних и тех же компонентов.

УЭ-6.Свойства комплексных соединений

Цели: рассмотреть влияние строения комплексов на их свойства.

1) Изучение влияния строения иона металла на окраску комплексов

Разное количество d-электронов, разное координационное число, отсюда, разная окраска.

2) Сравнение интенсивности окраски комплексных соединений меди.

Окраска зависит от силы влияния частиц, т.е. лигандов во внутренней сфере, изменяется цвет.

3) Цвет комплексов зависит от природы и числа лигандов, окружающих центральный атом (катион).

Получено и широко используется на практике несколько комплексных соединений кобальта, которые имеют одинаковый качественный состав, но различаются числом и характером связи компонентов. Эти вещества входят в состав красителей (кобальтовые краски). Они по-разному окрашены:

Цвет комплексов зависит от природы и числа лигандов, окружающих центральный атом (катион).

УЭ-7. Резюме. Подведение итогов урока.

1.Прочитайте цели урока (УЭ-0).

2. Достигли ли цели урока?

3. К чему пришли в результате овладения темой.

УЭ-8. Контроль

I уровень

1. Определите внешнюю и внутреннюю сферу, заряд комплексного иона, диссоциация комплекса:

3.* Уравняйте методом полуреакции:

Zn + NaOH + H 2 O -> Na 2 + H 2

Be + KOH + H 2 O -> K 2 +H 2

Задача. Какой объем водорода выделится, если "растворить": 140 г цинка с 10% примесей? 36 г бериллия, при выходе водорода 70%(н.у.)

II уровень

1. Запишите диссоциацию, определите степень окисления центрального иона, координационное число, назовите соединения:

3*. Уравняйте методом полуреакции:

I вариант

а) Si + HNO 3 + HF -> H 2 + NO + H 2 O

Задача. Какая масса кремния с 20% примесей растворится, если выделилось 67,5 л оксида азота(II) (н.у.)?

II вариант

а) Cu + KCN + H 2 O -> K + KOH + H 2

б) Какой объем водорода выделится при выходе 60%, если растворили 69 г меди с 10% примесей?

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.