Capitolul 17

17.1. Definiții de bază

În acest capitol, veți fi introdus într-un grup special de substanțe complexe numite cuprinzător(sau coordonarea) conexiuni.

În prezent, o definiție strictă a conceptului " particulă complexă" Nu. De obicei se folosește următoarea definiție.

De exemplu, un ion de cupru hidratat 2 este o particulă complexă, deoarece există de fapt în soluții și unii hidrați cristalini, este format din ioni de Cu 2 și molecule de H 2 O, moleculele de apă sunt molecule reale, iar ionii de Cu 2 există în cristale. a multor compuși ai cuprului. Dimpotrivă, ionul SO 4 2 nu este o particulă complexă, deoarece deși ionii O 2 apar în cristale, ionul S 6 nu există în sistemele chimice.

Exemple de alte particule complexe: 2 , 3 , , 2 .

În același timp, ionii de NH 4 și H 3 O sunt clasificați ca particule complexe, deși ionii de H nu există în sistemele chimice.

Uneori, particulele complexe sunt numite particule chimice complexe, toate sau o parte din legăturile în care se formează conform mecanismului donor-acceptor. Acest lucru este adevărat în majoritatea particulelor complexe, dar, de exemplu, în alaunul de potasiu SO 4 din particula complexă 3, legătura dintre atomii de Al și O se formează într-adevăr conform mecanismului donor-acceptor, în timp ce în particula complexă există doar electrostatic. interacțiunea (ion-dipol). Acest lucru este confirmat de existența în alaunul de fier amoniu a unei particule complexe similare ca structură, în care doar interacțiunea ion-dipol este posibilă între moleculele de apă și ionul NH4.

Prin sarcină, particulele complexe pot fi cationi, anioni și, de asemenea, molecule neutre. Compușii complecși care conțin astfel de particule pot aparține diferitelor clase de substanțe chimice (acizi, baze, săruri). Exemple: (H 3 O) - acid, OH - bază, NH 4 Cl și K 3 - săruri.

De obicei, agentul de complexare este un atom al unui element care formează un metal, dar poate fi și un atom de oxigen, azot, sulf, iod și alte elemente care formează nemetale. Starea de oxidare a agentului de complexare poate fi pozitivă, negativă sau zero; atunci când un compus complex se formează din substanțe mai simple, acesta nu se modifică.

Liganzii pot fi particule care, înainte de formarea unui compus complex, erau molecule (H 2 O, CO, NH 3 etc.), anioni (OH, Cl, PO 4 3 etc.), precum și un cation de hidrogen . Distinge neidentificat sau liganzi monodentați (legați de atomul central printr-unul dintre atomii săi, adică printr-o legătură), bidentat(conectat la atomul central prin doi dintre atomii lor, adică prin două legături), tridentat etc.

Dacă liganzii sunt neidentați, atunci numărul de coordonare este egal cu numărul de astfel de liganzi.

Cn depinde de structura electronică a atomului central, de gradul său de oxidare, de dimensiunea atomului central și a liganzilor, de condițiile de formare a compusului complex, de temperatură și de alți factori. CN poate lua valori de la 2 la 12. Cel mai adesea este egal cu șase, ceva mai rar - patru.

Există, de asemenea, particule complexe cu mai mulți atomi centrali.

Sunt utilizate două tipuri de formule structurale ale particulelor complexe: indicând sarcina formală a atomului central și a liganzilor sau indicând sarcina formală a întregii particule complexe. Exemple:

Pentru a caracteriza forma unei particule complexe, se folosește ideea unui poliedru de coordonare (poliedru).

Poliedrele de coordonare includ, de asemenea, un pătrat (KN = 4), un triunghi (KN = 3) și o gantere (KN = 2), deși aceste figuri nu sunt poliedre. Exemple de poliedre de coordonare și particule complexe cu formă corespunzătoare pentru cele mai comune valori CN sunt prezentate în Fig. unu.

17.2. Clasificarea compușilor complecși

Cum compușii chimici complecși sunt împărțiți în ionici (uneori sunt numiți ionogene) și molecular ( neionică) conexiuni. Compușii complecși ionici conțin particule complexe încărcate - ioni - și sunt acizi, baze sau săruri (vezi § 1). Compușii complecși moleculari constau din particule complexe (molecule) neîncărcate, de exemplu: sau - este dificil să le atribui oricărei clase principale de substanțe chimice.

Particulele complexe care alcătuiesc compușii complecși sunt destul de diverse. Prin urmare, pentru clasificarea lor sunt utilizate mai multe caracteristici de clasificare: numărul de atomi centrali, tipul de ligand, numărul de coordonare și altele.

După numărul de atomi centrali particulele complexe sunt împărțite în nucleu unicși multi-core. Atomii centrali ai particulelor complexe multinucleare pot fi legați unul de altul fie direct, fie prin liganzi. În ambele cazuri, atomii centrali cu liganzi formează o singură sferă interioară a compusului complex:

În funcție de tipul de liganzi, particulele complexe sunt împărțite în

1) Acvacomplexe, adică particule complexe în care moleculele de apă sunt prezente ca liganzi. Acvacomplexele cationice m sunt mai mult sau mai puțin stabile, acvacomplexele anionice sunt instabile. Toți hidrații cristalini sunt compuși care conțin complexe acvatice, de exemplu:

Mg(Cl04)2. 6H20 este de fapt (Cl04)2;
BeSO4. 4H20 este de fapt SO4;
Zn(Br03)2. 6H20 este de fapt (Br03)2;
CuSO4. 5H2O este de fapt SO4. H2O.

2) Hidroxocomplexele, adică particule complexe în care grupările hidroxil sunt prezente ca liganzi, care au fost ioni de hidroxid înainte de a intra în particula complexă, de exemplu: 2, 3, .

Complexele hidroxo sunt formate din complexe acvatice care prezintă proprietățile acizilor cationici:

2 + 4OH = 2 + 4H2O

3) Amoniac, adică particule complexe în care grupările NH3 sunt prezente ca liganzi (înainte de formarea unei particule complexe - molecule de amoniac), de exemplu: 2 , , 3 .

Amoniacul poate fi obținut și din complexe acvatice, de exemplu:

2 + 4NH 3 \u003d 2 + 4 H 2 O

Culoarea soluției în acest caz se schimbă de la albastru la ultramarin.

4) acidocomplexe, adică particule complexe în care reziduurile acide atât ale acizilor fără oxigen, cât și ale acizilor care conțin oxigen sunt prezente ca liganzi (înainte de formarea unei particule complexe - anioni, de exemplu: Cl, Br, I, CN, S 2, NO 2, S2O32, CO32, C2O42 etc.).

Exemple de formare a complexelor acide:

Hg 2 + 4I = 2
AgBr + 2S2O32 = 3 + Br

Ultima reacție este folosită în fotografie pentru a îndepărta bromura de argint nereacționată din materialele fotografice.
(La dezvoltarea filmului fotografic și a hârtiei fotografice, partea neexpusă a bromurii de argint conținută în emulsia fotografică nu este restaurată de către revelator. Pentru a o îndepărta, se folosește această reacție (procedeul se numește „fixare”, deoarece bromura de argint neînlăturată). se descompune treptat în lumină, distrugând imaginea)

5) Complexele în care atomii de hidrogen sunt liganzi sunt împărțite în două grupe complet diferite: hidrură complexe și complexe incluse în compoziție oniu conexiuni.

În formarea complexelor hidrură - , , - atomul central este un acceptor de electroni, iar ionul hidrură este un donor. Starea de oxidare a atomilor de hidrogen din aceste complexe este –1.

În complexele de oniu, atomul central este un donor de electroni, iar acceptorul este un atom de hidrogen în starea de oxidare +1. Exemple: H3O sau - ion oxoniu, NH4 sau - ion amoniu. În plus, există derivați substituiți ai unor astfel de ioni: - ion tetrametilamoniu, - ion tetrafenilarsoniu, - ion dietiloxoniu etc.

6) Carbonil complexe - complexe în care grupările CO sunt prezente ca liganzi (înainte de formarea complexului - molecule de monoxid de carbon), de exemplu:,, etc.

7) Halogenură de anioni complexele sunt complexe de tip .

Alte clase de particule complexe se disting, de asemenea, în funcție de tipul de liganzi. În plus, există particule complexe cu liganzi de diferite tipuri; cel mai simplu exemplu este hidroxocomplexul acvatic.

17.3. Fundamentele nomenclaturii compușilor complecși

Formula unui compus complex este compilată în același mod ca formula oricărei substanțe ionice: formula cationului este scrisă în primul rând, iar anionul în al doilea.

Formula unei particule complexe este scrisă între paranteze pătrate în următoarea succesiune: mai întâi este plasat simbolul elementului de complexare, apoi formulele liganzilor care au fost cationi înainte de formarea complexului, apoi formulele liganzilor care au fost. molecule neutre înainte de formarea complexului, iar după ele formulele liganzilor, foste înainte de formarea complexului de către anioni.

Numele unui compus complex este construit în același mod ca și numele oricărei săruri sau baze (acizii complecși se numesc săruri de hidrogen sau oxoniu). Numele compusului include numele cationului și numele anionului.

Denumirea particulei complexe include numele agentului de complexare și numele liganzilor (numele este scris în conformitate cu formula, dar de la dreapta la stânga. Pentru agenții de complexare în cationi, sunt folosite nume de elemente rusești, iar în anioni, cei latini.

Numele celor mai comuni liganzi:

H2O - acva	Cl - clor	SO 4 2 - sulfat	OH - hidroxo
CO - carbonil	Br - bromo	CO 3 2 - carbonat	H - hidruro
NH3 - amină	NU 2 - nitro	CN - ciano	NU - nitroso
NO - nitrozil	O 2 - oxo	NCS - tiocianato	H + I - hidro

Exemple de nume de cationi complecși:

Exemple de nume de anioni complecși:

2 - ion tetrahidroxozincat
3 – ion di(tiosulfato)argentat(I).
3 – ion hexacianocromat(III).
– ion tetrahidroxodiquaaluminat
– ion tetranitrodiamincobaltat(III).
3 – ion pentacianoacvaferrat(II).

Exemple de nume de particule complexe neutre:

Reguli de nomenclatură mai detaliate sunt date în cărți de referință și manuale speciale.

17.4. Legături chimice în compuși complecși și structura lor

În compușii complecși cristalini cu complecși încărcați, legătura dintre complex și ionii sferei exterioare este ionică, în timp ce legăturile dintre particulele rămase ale sferei exterioare sunt intermoleculare (inclusiv legături de hidrogen). În compușii complexi moleculari, legătura dintre complecși este intermoleculară.

În majoritatea particulelor complexe, legăturile dintre atomul central și liganzi sunt covalente. Toate sau o parte dintre ele sunt formate conform mecanismului donor-acceptator (ca urmare, cu o modificare a taxelor formale). În cele mai puțin stabile complexe (de exemplu, în complexele acvatice ale elementelor alcaline și alcalino-pământoase, precum și a amoniului), liganzii sunt ținuți prin atracție electrostatică. Legătura din particulele complexe este adesea denumită legătură donor-acceptor sau legătură de coordonare.

Să luăm în considerare formarea sa folosind acvatarea cu fier (II) ca exemplu. Acest ion este format prin reacția:

FeCI2cr + 6H20 = 2 + 2CI

Formula electronică a atomului de fier este 1 s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 6. Să facem o schemă a subnivelurilor de valență ale acestui atom:

Când se formează un ion dublu încărcat, atomul de fier pierde două 4 s-electron:

Ionul de fier acceptă șase perechi de electroni de atomi de oxigen a șase molecule de apă în orbitali de valență liberi:

Se formează un cation complex, a cărui structură chimică poate fi exprimată prin una dintre următoarele formule:

Structura spațială a acestei particule este exprimată prin una dintre formulele spațiale:

Forma poliedrului de coordonare este un octaedru. Toate legăturile Fe-O sunt aceleași. Presupus sp 3 d 2 - hibridizarea atomului de fier AO. Proprietățile magnetice ale complexului indică prezența electronilor nepereche.

Dacă FeCl 2 este dizolvat într-o soluție care conține ioni de cianură, atunci reacția continuă

FeCl 2cr + 6CN = 4 + 2Cl.

Același complex se obține și prin adăugarea unei soluții de cianură de potasiu KCN la o soluție de FeCl 2:

2 + 6CN \u003d 4 + 6H 2 O.

Acest lucru sugerează că complexul de cianuri este mai puternic decât complexul acvatic. În plus, proprietățile magnetice ale complexului de cianuri indică absența electronilor neperechi din atomul de fier. Toate acestea se datorează unei structuri electronice ușor diferite a acestui complex:

Liganzii CN „mai puternici” formează legături mai puternice cu atomul de fier, câștigul de energie este suficient pentru a „încălca” regula lui Hund și eliberează 3 d-orbitali pentru perechile singure de liganzi. Structura spațială a complexului de cianuri este aceeași cu cea a complexului acvatic, dar tipul de hibridizare este diferit - d 2 sp 3 .

„Forța” ligandului depinde în primul rând de densitatea de electroni a norului perechii de electroni singuratice, adică crește cu o scădere a dimensiunii atomului, cu o scădere a numărului cuantic principal, depinde de tip de hibridizare EO și pe alți factori. Cei mai importanți liganzi pot fi aliniați în ordinea creșterii „tăriei” lor (un fel de „serie de activitate” de liganzi), această serie se numește serie spectrochimică de liganzi:

eu; Br; : SCN, CI, F, OH, H20; : NCS, NH3; SO 3 S : 2 ; : CN, CO

Pentru complexele 3 și 3, schemele de formare arată după cum urmează:

Pentru complexe cu CN = 4, sunt posibile două structuri: un tetraedru (în cazul sp 3-hibridare), de exemplu, 2 și un pătrat plat (în cazul dsp 2 hibridizare), de exemplu, 2.

17.5. Proprietățile chimice ale compușilor complecși

Pentru compușii complecși, în primul rând, aceleași proprietăți sunt caracteristice ca și pentru compușii obișnuiți din aceleași clase (săruri, acizi, baze).

Dacă compusul este un acid, atunci este un acid puternic; dacă este o bază, atunci baza este puternică. Aceste proprietăți ale compușilor complecși sunt determinate numai de prezența ionilor H3O sau OH. În plus, acizii, bazele și sărurile complexe intră în reacțiile de schimb obișnuite, de exemplu:

SO 4 + BaCl 2 \u003d BaSO 4 + Cl 2
FeCl3 + K4 = Fe43 + 3KCl

Ultima dintre aceste reacții este folosită ca reacție calitativă pentru ionii de Fe3. Substanța insolubilă în ultramarin rezultată se numește „albastru prusac” [denumirea sistematică este hexacianoferrat de fier (III)-potasiu (II)].

În plus, particula complexă în sine poate intra în reacție și, cu cât este mai activ, cu atât este mai puțin stabilă. De obicei, acestea sunt reacții de substituție a liganzilor care apar în soluție, de exemplu:

2 + 4NH 3 \u003d 2 + 4H 2 O,

precum şi reacţii acido-bazice precum

2 + 2H3O = + 2H2O
2 + 2OH = + 2H2O

Format în aceste reacții, după izolare și uscare, se transformă în hidroxid de zinc:

Zn(OH)2 + 2H2O

Ultima reacție este cel mai simplu exemplu de descompunere a unui compus complex. În acest caz, funcționează la temperatura camerei. Alți compuși complecși se descompun atunci când sunt încălziți, de exemplu:

SO4. H 2 O \u003d CuSO 4 + 4NH 3 + H 2 O (peste 300 o C)
4K 3 \u003d 12KNO 2 + 4CoO + 4NO + 8NO 2 (peste 200 o C)
K 2 \u003d K 2 ZnO 2 + 2H 2 O (peste 100 o C)

Pentru a evalua posibilitatea unei reacții de substituție a ligandului, se poate folosi seria spectrochimică, ghidată de faptul că liganzii mai puternici îi înlocuiesc pe cei mai slabi din sfera interioară.

17.6. Izomeria compușilor complecși

Izomeria compușilor complecși este legată
1) cu posibilă aranjare diferită a liganzilor și a particulelor din sfera exterioară,
2) cu o structură diferită a celei mai complexe particule.

Prima grupă include hidratat(în general solvat) și ionizare izomerie, la al doilea - spațialăși optic.

Izomeria hidratului este asociată cu posibilitatea unei distribuții diferite a moleculelor de apă în sferele exterioare și interioare ale compusului complex, de exemplu: (culoare roșu-maro) și Br 2 (culoare albastră).

Izomeria de ionizare este asociată cu posibilitatea unei distribuții diferite a ionilor în sferele exterioare și interioare, de exemplu: SO 4 (violet) și Br (roșu). Primul dintre acești compuși formează un precipitat, reacționând cu o soluție de clorură de bariu, iar al doilea - cu o soluție de azotat de argint.

Izomeria spațială (geometrică), denumită altfel izomerie cis-trans, este caracteristică complexelor pătrate și octaedrice (este imposibil pentru cele tetraedrice). Exemplu: izomerie complexă cis-trans pătrată

Izomeria optică (oglindă) în esență nu diferă de izomeria optică din chimia organică și este caracteristică complexelor tetraedrice și octaedrice (imposibile pentru cele pătrate).

Structura compușilor complecși

Forțele atractive acționează nu numai între atomi, ci și între molecule. Interacțiunea moleculelor duce adesea la formarea altor molecule, mai complexe. De exemplu, substanțele gazoase, în condiții adecvate, trec într-o stare lichidă și solidă de agregare, orice substanță este solubilă într-o oarecare măsură într-o altă substanță. În toate aceste cazuri, se observă coordonarea reciprocă a particulelor care interacționează, care poate fi definită ca complexare. Motivul formării complexe poate fi atât interacțiunea electrostatică, cât și donor-acceptor între ioni și molecule, între molecule.

Bazele ideilor moderne despre structura compușilor complecși au fost puse de chimistul elvețian Alfred Werner în 1893.

Compuși complecși - sunt compuși caracterizați prin prezența a cel puțin unei legături covalente care a apărut conform mecanismului donor-acceptor.

În centrul fiecărui complex se află un atom numit central sau agent de complexare. Se numesc atomii sau ionii legați direct de atomul central liganzi. Se numește numărul care indică câți liganzi deține agentul de complexare număr de coordonare. Se formează agentul de complexare și liganzii sfera interioara . Sfera interioară este separată de cea exterioară prin paranteze drepte. În afara complexului sunt ioni care au o sarcină opusă în semn comparativ cu sarcina complexului în sine - acești ioni alcătuiesc sfera exterioară.

De exemplu: K3

extern intern

sferă

Fe 3+ - agent de complexare; CN - ligand; 6 - numărul de coordonare;

3- - ion complex.

Nomenclatura compușilor complecși

Un sistem complex de reguli de nomenclatură este folosit pentru a denumi compuși complecși.

1. Numele compușilor complecși constau din două cuvinte care denotă sferele interioare și exterioare.

2. Pentru sfera interioară, indicați:

Număr de liganzi;

Numele ligandului;

Atom central cu valență.

3. Conform nomenclaturii internaționale se numește mai întâi cationul, apoi anionul.

4. Dacă conexiunea include cation complex, apoi dat Denumirea rusă a elementului agent de complexare.

5. Dacă conexiunea include anion complex, apoi agentul de complexare numele latin al elementului este dat cu desinenţa "-la".

6. În complexele neutre nu este indicată starea de oxidare a atomului central.

7. Denumirile liganzilor coincid în majoritatea cazurilor cu denumirile obișnuite ale substanțelor. La liganzii anionici se adaugă sufixul „-o”.

De exemplu: CN - - ciano, NO2 - - nitro, CI - - clor, OH - - hidroxo, H + -hidro, O 2- - oxo, S 2- - tio, CNS - - rhodano sau ticyanato, C2O4 2- - oxalato etc.

8. Liganzi - moleculele neutre au denumiri specifice:

Apă - apă, amoniac - amină, monoxid de carbon (II) - carbonil.

9. Numărul de liganzi este indicat prin cifre latine sau grecești:

	Mono
	Di
	Trei
	Tetra
	penta
	Hexa
	Hepta
	Octa

10. În complexele mixte-liganzi Liganzii anionici sunt enumerați mai întâi, urmați de cei moleculari. Dacă există mai mulți liganzi anionici sau moleculari diferiți, aceștia sunt enumerați alfabetic.

Exemple

CI - clorură de diamminesilver(I).

K - dicianoargenat de potasiu (I)

CI3 - clorură de cloropentaaminoplatină (IV) sau triclorura de cloropentaaminoplatină

K - pentacloroaminoplatinat de potasiu (IV)

SO4 - sulfat de clorotriaminplatină(II).

K3- hexacianoferat (III) de potasiu,

- trinitrotriaminecobalt.

3. Clasificarea complexelor.

După natura sarcinii electrice, se disting complexele cationice, anionice și neutre. Sarcina unui complex este suma algebrică a sarcinilor particulelor sale constitutive.

cationic complexul se formează ca rezultat al coordonării în jurul ionului pozitiv al moleculelor neutre (H2O, NH3 etc.)

Compușii care conțin complecși amino (NH3) se numesc amoniac, care conțin complexe acvatice (H2O) - hidratează.

ca agent de complexare în anionic complexul este un atom cu o stare de oxidare pozitivă (ion pozitiv), iar liganzii sunt atomi cu o stare de oxidare negativă (anioni). De exemplu: K2 - tetrafluoroberilat de potasiu (II).

Neutru complecșii se formează prin coordonare în jurul unui atom de molecule, precum și prin coordonarea simultană în jurul unui agent de complexare a ionilor pozitivi a ionilor negativi și a moleculelor. De exemplu: - diclorodiaminplatină (II). Complexele neutre din punct de vedere electric sunt compuși complecși fără o sferă exterioară.

Rolul unui agent complexant poate fi jucat de orice element al sistemului periodic. Elementele nemetalice dau de obicei complecși anionici. Elementele metalice formează complexe de tip cationic.

Liganzii. Diferiți agenți de complexare pot coordona trei tipuri de liganzi în jurul lor:

1. Liganzi de tip anionic - ioni elementari și complecși încărcați negativ, de exemplu, ioni de hidrură, oxid, hidroxid, nitrat, carbonat etc.

2. Liganzii neutri pot fi molecule polare de apă, amoniac etc.

3. Liganzii de tip cationic sunt rari și se coordonează numai în jurul atomilor polarizați negativ. Exemplu: un atom de hidrogen polarizat pozitiv.

Liganzii care formează o legătură cu atomul central se numesc bidentat. Se numesc liganzi capabili să formeze trei sau mai multe legături cu un atom central polidentat. Se numesc compuși complecși cu liganzi bi și polidentați complexe chelate.

Se numesc liganzi obișnuiți care formează o legătură cu un metal monodentată.

4. Disocierea compușilor complecși. Instabilitate constantă.

Compuși complecși - electroliții, atunci când sunt disociați în soluții apoase, formează ioni complecși, de exemplu:

CI = + + CI -

Această disociere este completă. Ionii complecși, la rândul lor, suferă o disociere secundară.

Compuși complecși

Lecție-preleg Clasa a 11-a

Lecția depusă la concursul „Merg la o lecție”, o petrec în clasa a XI-a de biologie și chimie, unde sunt alocate 4 ore pe săptămână pentru studiul chimiei.

Subiectul „Compuși complecși” am luat-o, în primul rând, pentru că acest grup de substanțe are o importanță excepțional de mare în natură; în al doilea rând, multe sarcini USE includ conceptul de compuși complecși; în al treilea rând, elevii din această clasă aleg profesii legate de chimie și se vor întâlni în viitor cu un grup de compuși complecși.

Ţintă. Formați conceptul de compoziție, clasificare, structura și nomenclatura de bază a compușilor complecși; ia în considerare proprietățile lor chimice și arată semnificația; extinde înțelegerea de către elevi a diversității substanțelor.

Echipamente. Probe de compuși complecși.

Planul lecției

I. Moment organizatoric.

II. Învățarea de materiale noi (prelegere).

III. Rezumând și stabilind temele.

Planul cursului

1. Varietate de substanțe.

2. Teoria coordonării lui A. Werner.

3. Structura compușilor complecși.

4. Clasificarea compușilor complecși.

5. Natura legăturii chimice în compuși complecși.

6. Nomenclatura compușilor complecși.

7. Proprietăţile chimice ale compuşilor complecşi.

8. Valoarea compușilor complecși.

ÎN CURILE CLASURILOR

I. Moment organizatoric

II. Învățarea de materiale noi

Varietate de substanțe

Lumea substanțelor este diversă și suntem deja familiarizați cu grupul de substanțe care aparțin compușilor complecși. Aceste substanțe au fost studiate încă din secolul al XIX-lea, dar a fost dificil de înțeles structura lor din punctul de vedere al ideilor existente despre valență.

A. Teoria coordonării lui Werner

În 1893, chimistul anorganic elvețian Alfred Werner (1866–1919) a formulat o teorie care a făcut posibilă înțelegerea structurii și a unor proprietăți ale compușilor complecși și numită teoria coordonării*. Prin urmare, compușii complecși sunt adesea numiți compuși de coordonare.

Compușii, care includ ioni complecși care există atât într-un cristal, cât și în soluție, se numesc complecși sau coordonați.

Structura compușilor complecși

Conform teoriei lui Werner, poziția centrală în compușii complecși este de obicei ocupată de un ion metalic, care se numește ion central sau agent de complexare.

Agent de complexare - o particulă (atom, ion sau moleculă) care coordonează (situează) în jurul ei alți ioni sau molecule.

Agentul de complexare are de obicei o sarcină pozitivă, este d-element, prezinta proprietati amfotere, are un numar de coordonare de 4 sau 6. Molecule sau resturi acide - liganzii (adanzii) sunt situati (coordonate) in jurul agentului de complexare.

Liganzi - particule (molecule și ioni) coordonate de agentul de complexare și care au legături chimice directe cu acesta (de exemplu, ioni: CI-, I-, NO3-, OH-; molecule neutre: NH3, H20, CO ).

Liganzii nu sunt legați unul de celălalt, deoarece între ei acționează forțe de respingere. Când moleculele sunt liganzi, este posibilă interacțiunea moleculară între ele. Coordonarea liganzilor în jurul agentului de complexare este o trăsătură caracteristică compușilor complecși (Fig. 1).

Număr de coordonare - este numărul de legături chimice pe care le formează agentul de complexare cu liganzii.

Orez. 2. Structura tetraedrică a ionului -

Valoarea numărului de coordonare al agentului de complexare depinde de natura sa, gradul de oxidare, natura liganzilor și condițiile (temperatura, concentrația) în care se desfășoară reacția de complexare. Numărul de coordonare poate avea valori de la 2 la 12. Cele mai comune sunt numerele de coordonare 4 și 6. Pentru numărul de coordonare 4, structura particulelor complexe poate fi tetraedrică (Fig. 2) și sub formă de plat. pătrat (fig. 3). Compușii complecși cu un număr de coordonare 6 au o structură octaedrică de 3– (Fig. 4).

Orez. 4. Ion 3 - structura octaedrica

Agentul de complexare și liganzii săi din jur constituie interiorul complexului. O particulă constând dintr-un agent de complexare și liganzi din jur se numește ion complex. Când descrieți compuși complecși, sfera interioară (ionul complex) este limitată de paranteze drepte. Componentele rămase ale compusului complex sunt localizate în sfera externă(Fig. 5).

Sarcina totală a ionilor sferei exterioare trebuie să fie egală ca valoare și opusă ca semn sarcinii ionului complex:

Clasificarea compușilor complecși

O mare varietate de compuși complecși și proprietățile lor nu permit crearea unei clasificări unificate. Cu toate acestea, substanțele pot fi grupate în funcție de unele caracteristici individuale.

1) După compoziție.

2) După tipul de liganzi coordonaţi.

A) Acvacomplexe- aceștia sunt cationi complecși în care moleculele de H 2 O sunt liganzi, sunt formați din cationi metalici cu o stare de oxidare de +2 sau mai mult, iar capacitatea de a forma complexe acvatice în metale dintr-o grupă a sistemului periodic scade de la vârf la partea de jos.

Exemple de complexe acvatice:

CI3, (N03)3.

b) Hidroxocomplexele sunt anioni complecși în care liganzii sunt ioni hidroxid OH - . Agenții de complexare sunt metale predispuse la manifestarea proprietăților amfotere - Be, Zn, Al, Cr.

De exemplu: Na, Ba.

în) Amoniac sunt cationi complecși în care moleculele de NH 3 sunt liganzi. Agenții de complexare sunt d-elemente.

De exemplu: SO4, CI.

G) acidocomplexe sunt anioni complecși în care liganzii sunt anioni ai acizilor anorganici și organici.

De exemplu: K3, Na2, K4.

3) Prin sarcina sferei interioare.

Natura legăturii chimice în compuși complecși

În sfera interioară, există legături covalente între agentul de complexare și liganzi, care sunt formate și prin mecanismul donor-acceptor. Pentru formarea unor astfel de legături, este necesară prezența orbitalilor liberi în unele particule (disponibili în agentul de complexare) și a perechilor de electroni neîmpărțiți în alte particule (liganzi). Rolul donorului (furnizor de electroni) este jucat de ligand, iar acceptorul care acceptă electroni este agentul de complexare. Legătura donor-acceptor apare ca urmare a suprapunerii orbitalilor liberi de valență ai agentului de complexare cu orbitalii donor plini.

Există o legătură ionică între sferele exterioare și interioare. Să luăm un exemplu.

Structura electronică a atomului de beriliu:

Structura electronică a atomului de beriliu în stare excitată:

Structura electronică a atomului de beriliu în ionul complex 2:

Săgețile punctate arată electronii de fluor; două dintre cele patru legături sunt formate prin mecanismul donor-acceptor. În acest caz, atomul Be este un acceptor, iar ionii de fluor sunt donatori, perechile lor de electroni liberi umplu orbitalii hibridizați ( sp 3 - hibridizare).

Nomenclatura compușilor complecși

Cea mai răspândită este nomenclatura recomandată de IUPAC. Nume anion complexîncepe cu desemnarea compoziției sferei interioare: numărul de liganzi este indicat prin cifre grecești: 2-di, 3-three, 4-tetra, 5-penta, 6-hexa etc., urmat de numele de liganzii, la care se adaugă vocala de legătură „o” »: Cl - - cloro-, CN - - ciano-, OH - - hidroxo- etc. Dacă agentul de complexare are o stare de oxidare variabilă, atunci starea sa de oxidare este indicată între paranteze cu cifre romane, iar numele său cu sufixul -at: Zn - zinc la, Fe – ferr la(III), Au - aur la(III). Numele de familie este cationul sferei exterioare în cazul genitiv.

K 3 - hexacianoferrat de potasiu (III),

K 4 - hexacianoferat de potasiu (II),

K 2 - tetrahidroxozincat de potasiu.

Numele compușilor care conțin cation complex, sunt construite din denumirile anionilor mediului extern, după care se indică numărul de liganzi, se dă denumirea latină a ligandului (molecula de amoniac NH 3 - amina, molecula de apă H 2 O - aqua din denumirea latină). de apă) și denumirea rusă a elementului de complexare; cifra romană din paranteză indică gradul de oxidare al elementului de complexare, dacă acesta este variabil. De exemplu:

SO 4 - sulfat de cupru (II) tetraamină,

Cl 3 - clorură de aluminiu hexaaqua.

Proprietățile chimice ale compușilor complecși

1. În soluție, compușii complecși se comportă ca electroliți puternici; se disociază complet în cationi și anioni:

Cl 2 \u003d Pt (NH 3) 4] 2+ + 2Cl -,

K 2 \u003d 2K + + 2–.

Disocierea de acest tip se numește primară.

Disocierea secundară este asociată cu îndepărtarea liganzilor din sfera interioară a ionului complex:

2– PtCl 3 – + Cl – .

Disocierea secundară are loc în trepte: ionii complecși ( 2–) sunt electroliți slabi.

2. Sub acțiunea acizilor puternici, complexele hidroxo sunt distruse, de exemplu:

a) cu lipsă de acid

Na3 + 3HCI \u003d 3NaCI + Al (OH)3 + 3H2O;

b) cu un exces de acid

Na3 + 6HCl \u003d 3NaCl + AlCl3 + 6H2O.

3. Încălzirea (termoliza) tuturor amoniaților duce la descompunerea acestora, de exemplu:

S04CuS04 + 4NH3.

Valoarea compușilor complecși

Compușii de coordonare sunt extrem de importanți în natură. Este suficient să spunem că aproape toate enzimele, mulți hormoni, medicamente, substanțe biologic active sunt compuși complecși. De exemplu, hemoglobina din sânge, datorită căreia oxigenul este transferat de la plămâni la celulele țesuturilor, este un compus complex care conține fier (Fig. 6), iar clorofila, responsabilă de fotosinteza la plante, este un compus complex de magneziu (Fig. 7). .

O parte semnificativă a mineralelor naturale, inclusiv minereurile polimetalice și silicații, este, de asemenea, compusă din compuși de coordonare. Mai mult, metodele chimice pentru extragerea metalelor din minereuri, în special cupru, wolfram, argint, aluminiu, platină, fier, aur și altele, sunt, de asemenea, asociate cu formarea de complexe ușor solubile, cu punct de topire scăzut sau volatile. De exemplu: Na 3 - criolit, KNa 3 4 - nefelină (minerale, compuși complecși care conțin aluminiu).

Industria chimică modernă folosește pe scară largă compușii de coordonare ca catalizatori în sinteza compușilor macromoleculari, în prelucrarea chimică a petrolului și în producerea acizilor.

III. Rezumând și stabilind temele

Teme pentru acasă.

1) Pregătiți-vă pentru o prelegere pentru o lecție practică pe tema: „Compuși complexi”.

2) Oferiți o descriere scrisă a următorilor compuși complecși după structură și clasificați în funcție de caracteristicile lor:

K3, (N03)3, Na2, OH.

3) Scrieți ecuațiile de reacție cu care puteți efectua transformări:

* Pentru descoperirea acestui nou domeniu al științei, A. Werner a fost distins cu Premiul Nobel în 1913.

Pentru a da o definiție mai mult sau mai puțin exactă a compușilor complecși, chimia modernă trebuie să se bazeze pe principalele prevederi ale teoriei coordonării, care a fost propusă de A. Werner încă din 1893. Complexitatea acestei probleme constă în diversitate. și multiplicitatea celor mai diverși compuși chimici care se încadrează sub definiția complexului.

În termeni generali, compușii complecși sunt cei care conțin un număr de particule complexe. Până acum, știința nu are o definiție strictă a conceptului de „particulă complexă”. Următoarea definiție este adesea folosită: o particulă complexă este înțeleasă ca o particulă complexă care este capabilă să existe în mod independent atât într-un cristal, cât și în soluție. Este format din alte particule simple, care, la rândul lor, au capacitatea de a exista independent. De asemenea, adesea sub definiția particulelor complexe cad particule chimice complexe în care toate legăturile sau o parte din ele sunt formate conform principiului donor-acceptor.

O caracteristică comună pe care o au toți compușii complecși este prezența în structura lor a unui atom central, care a primit denumirea de „agent complexant”. Având în vedere diversitatea pe care o posedă acești compuși, nu este necesar să vorbim despre nicio caracteristică comună a acestui element. Adesea, agentul de complexare este un atom care formează un metal. Dar acesta nu este un semn strict: se cunosc compuși complecși în care atomul central este un atom de oxigen, sulf, azot, iod și alte elemente care sunt nemetale strălucitoare. Vorbind despre sarcina agentului de complexare, putem spune că este în mare parte pozitivă, iar în literatura științifică a fost numit centru metalic, dar se cunosc exemple când atomul central avea o sarcină negativă, și chiar zero.

În consecință, grupurile izolate de atomi sau atomi individuali care sunt localizați în jurul agentului de complexare sunt numite liganzi. Acestea pot fi și particule care, înainte de a intra în compoziția compusului complex, au fost molecule, de exemplu, apă (H2O), (CO), azot (NH3) și multe altele, pot fi și anioni OH–, PO43–, Cl– sau cationul de hidrogen H+.

O încercare de a clasifica compuși complecși în funcție de tipul de încărcare a complexului împarte acești compuși chimici în complecși cationici, care se formează în jurul unui ion încărcat pozitiv de molecule neutre. Există și complecși anionici în care agentul de complexare este un atom cu un pozitiv.Anionii simpli și complecși sunt liganzi. Complexele neutre pot fi distinse ca un grup separat. Formarea lor are loc prin coordonare în jurul atomului neutru al moleculelor. De asemenea, această categorie de substanțe complexe include compuși formați prin coordonare simultană în jurul unui ion și a unor molecule încărcate pozitiv, precum și ionii încărcați negativ.

Dacă luăm în considerare numărul de locuri ocupate de liganzi în așa-numita sferă de coordonare, atunci se determină liganzii monodentați, bidentati și polidentați.

Prepararea compușilor complecși prin diverse metode permite clasificarea în funcție de natura ligandului. Dintre aceștia se disting amoniații, în care liganzii sunt reprezentați de molecule de amoniac, complexe acvatice, unde liganzii sunt apă, carbonili - monoxidul de carbon joacă rolul de ligand. În plus, există complexe acide în care atomul central este înconjurat de reziduuri acide. Dacă este înconjurat de ioni de hidroxid, atunci compușii sunt clasificați ca hidroxocomplecși.

Compușii complecși joacă un rol important în natură. Fără ele, viața organismelor vii este imposibilă. De asemenea, utilizarea compușilor complecși în activitatea umană face posibilă efectuarea de operațiuni tehnologice complexe.

Chimie analitică, extracția metalelor din minereuri, electroformarea, producția de lacuri și vopsele - aceasta este doar o scurtă listă a industriilor în care au fost utilizate substanțe chimice complexe.

Compușii de tipul BF3, CH4, NH3, H2O, CO2 etc., în care elementul își prezintă valența maximă obișnuită, se numesc compuși saturați cu valență sau compuși de ordinul întâi. Când compușii de ordinul întâi interacționează între ei, se formează compuși de ordin superior. La compuși de ordin superior includ hidrați, amoniați, produși de adiție ai acizilor, molecule organice, săruri duble și multe altele.Exemple de formare a compușilor complecși:

PtCl 4 + 2KCl \u003d PtCl 4 ∙ 2KCl sau K 2

CoCl 3 + 6NH 3 \u003d CoCl 3 ∙ 6NH 3 sau Cl 3.

A. Werner a introdus în chimie idei despre compuși de ordin superior și a dat prima definiție a conceptului de compus complex. Elementele după saturarea valențelor obișnuite sunt capabile să arate valență suplimentară - coordonarea. Datorită valenței de coordonare se formează compuși de ordin superior.

Compuși complecși – substanțe complexe care pot fi izolate atomul central(agent de complexare) și molecule și ioni înrudiți - liganzi.

Se formează atomul central și liganzii complex (sfera interioară), care, la scrierea formulei unui compus complex, este cuprinsă între paranteze drepte. Numărul de liganzi din sfera interioară se numește număr de coordonare. Moleculele și ionii care înconjoară forma complexă sfera exterioară. Un exemplu de sare complexă de hexacianoferat de potasiu (III) K 3 (așa-numita sare roșie din sânge).

Atomii centrali pot fi ioni de metal de tranziție sau atomi ai unor nemetale (P, Si). Liganzii pot fi anioni halogen (F -, Cl -, Br -, I -), OH -, CN -, CNS -, NO 2 - și alții, molecule neutre H 2 O, NH 3, CO, NO, F 2 , CI2, Br2, I2, hidrazină N2H4, etilendiamină NH2-CH2-CH2-NH2 etc.

Valenta de coordonare(CV) sau numărul de coordonare - numărul de locuri din sfera interioară a complexului care pot fi ocupate de liganzi. Numărul de coordonare este de obicei mai mare decât starea de oxidare a agentului de complexare, în funcție de natura agentului de complexare și a liganzilor. Compușii complecși cu valențe de coordonare de 4, 6 și 2 sunt mai des întâlniți.

Capacitatea de coordonare a ligandului – numărul de locuri din sfera interioară a complexului ocupate de fiecare ligand. Pentru majoritatea liganzilor, capacitatea de coordonare este una, mai rar 2 (hidrazină, etilendiamină) și mai mult (EDTA - etilendiaminotetraacetat).

Încărcare complexă trebuie să fie numeric egal cu sarcina totală a sferei exterioare și opus în semn, dar există și complexe neutre. Starea de oxidare a agentului de complexare egal și opus în semn cu suma algebrică a sarcinilor tuturor celorlalți ioni.

Denumiri sistematice ale compușilor complecși se formează astfel: mai întâi, anionul este numit în cazul nominativ, apoi separat în cazul genitiv - cationul. Liganzii din complex sunt enumerați împreună în următoarea ordine: a) anionici; b) neutru; c) cationice. Anionii sunt enumerați în ordinea H - , O 2- , OH - , anioni simpli, anioni poliatomici, anioni organici - în ordine alfabetică. Liganzii neutri sunt denumiți la fel ca și moleculele, cu excepția H2O (aqua) și NH3 (amina); ionii încărcați negativ adaugă vocala de legătură " despre". Numărul de liganzi este indicat prin prefixe: di-, tri, tetra-, penta-, hexa- etc. Terminația pentru complexele anionice este „- la" sau "- nou„, dacă se numește acidul; nu există terminații tipice pentru complexele cationice și neutre.

H - tetracloroaurat de hidrogen (III)

(OH) 2 - hidroxid de tetraaminocupru (II).

Cl4 - clorură de hexaaminoplatină (IV).

– tetracarbonil nichel

– hexacianoferat (III) de hexaaminecobalt (III)

Clasificarea compușilor complecși bazat pe diverse principii:

Prin apartenența la o anumită clasă de compuși:

- acizi complecși– H2, H2;

- baze complexe-(OH)2;

- săruri complexe- Li3, CI2.

Prin natura liganzilor:

- acvacomplexe(apa este ligandul) - SO 4 ∙ H 2 O, [Co (H 2 O) 6] Cl 2;

- amoniac(complexe în care moleculele de amoniac servesc ca liganzi) - [Сu(NH3)4]SO4, CI;

- acidocomplexe(complecși de oxalat, carbonat, cianuri, halogenuri care conțin anioni diferiți acizi ca liganzi) - K 2, K 4;

- hidroxocomplexe(compuşi cu grupări OH sub formă de liganzi) - K3 [Al (OH) 6];

- chelat sau complexe ciclice(ligand bi- sau polidentat și atomul central formează un ciclu) - complexe cu acid aminoacetic, EDTA; chelații includ clorofila (agent de complexare - magneziu) și hemoglobina (agent de complexare - fier).

După semnul sarcinii complexului: cationic, anionic, neutru complexe.

Un grup special este format din compuși hipercomplexi. În ei, numărul de liganzi depășește valența de coordonare a agentului de complexare. Deci, în compusul CuSO 4 ∙ 5H 2 O, cuprul are o valență de coordonare de patru și patru molecule de apă sunt coordonate în sfera interioară, a cincea moleculă se alătură complexului prin legături de hidrogen: SO 4 ∙ H 2 O.

Liganzii sunt legați de atomul central legătura donor-acceptor.Într-o soluție apoasă, compușii complecși se pot disocia pentru a forma ioni complecși:

Cl ↔ + + Cl –

Într-o mică măsură, există o disociere a sferei interioare a complexului:

+ ↔ Ag + + 2NH 3

Măsura puterii complexului este constantă de instabilitate complexă:

K cuib + \u003d C Ag + ∙ C2 NH 3 / C Ag (NH 3) 2] +

În loc de constanta de instabilitate, uneori folosesc valoarea reciprocă, numită constantă de stabilitate:

K gura \u003d 1 / K cuib

În soluții moderat diluate ale multor săruri complexe există atât ioni complecși, cât și ioni simpli. O diluare ulterioară poate duce la descompunerea completă a ionilor complecși.

Conform unui model electrostatic simplu al lui W. Kossel și A. Magnus, interacțiunea dintre un agent de complexare și liganzii ionici (sau polari) respectă legea Coulomb. Un complex stabil se obține atunci când forțele de atracție către miezul complexului echilibrează forțele de respingere dintre liganzi. Forța complexului crește odată cu creșterea sarcinii nucleare și scăderea razei agentului de complexare și a liganzilor. Modelul electrostatic este foarte ilustrativ, dar este incapabil să explice existența unor complecși cu liganzi nepolari și un agent complexant în starea de oxidare zero; ceea ce determină proprietățile magnetice și optice ale compușilor.

O modalitate clară de a descrie compuși complecși este metoda legăturilor de valență (MBS) propusă de Pauling. Metoda se bazează pe o serie de prevederi:

Relația dintre agentul de complexare și liganzi este donor-acceptor. Liganzii furnizează perechi de electroni, iar miezul complexului oferă orbitali liberi. O măsură a rezistenței legăturii este gradul de suprapunere orbitală.

Orbitalii atomului central implicați în formarea legăturilor suferă hibridizare. Tipul de hibridizare este determinat de numărul, natura și structura electronică a liganzilor. Hibridizarea orbitalilor electronici ai agentului de complexare determină geometria complexului.

Întărirea suplimentară a complexului se datorează faptului că, împreună cu legăturile σ, pot apărea și legăturile π.

Proprietățile magnetice prezentate de complex sunt explicate pe baza ocupării orbitalilor. În prezența electronilor nepereche, complexul este paramagnetic. Împerecherea electronilor determină diamagnetismul compusului complex.

MVS este potrivit pentru a descrie doar o gamă limitată de substanțe și nu explică proprietățile optice ale compușilor complecși, deoarece nu ia în calcul stările excitate.

O dezvoltare ulterioară a teoriei electrostatice pe bază de mecanică cuantică este teoria câmpului cristalin (TCF). Conform TCP, legătura dintre miezul complexului și liganzi este ionică sau ion-dipol. TCP acordă o atenție principală luării în considerare a acelor modificări care apar în agentul de complexare sub influența câmpului de liganzi (diviziunea nivelurilor de energie). Conceptul de divizare a energiei a unui agent de complexare poate fi folosit pentru a explica proprietățile magnetice și culoarea compușilor complecși.

TCP este aplicabil numai compușilor complecși în care agentul de complexare ( d-element) are electroni liberi și nu ține cont de natura parțial covalentă a legăturii agent complexant-ligand.

Metoda orbitală moleculară (MMO) ia în considerare structura electronică detaliată nu numai a agentului de complexare, ci și a liganzilor. Complexul este considerat ca un singur sistem mecanic cuantic. Electronii de valență ai sistemului sunt localizați în orbitali moleculari multicentrici care acoperă nucleele agentului de complexare și toți liganzii. Potrivit MMO, creșterea energiei de scindare se datorează întăririi suplimentare a legăturii covalente datorită legăturii π.