Хімія. Профільний рівень. 11 клас. Григорович
§ 81. Комплексні сполуки
Пригадайте:
- донорно-акцепторний механізм утворення ковалентного зв'язку (за § 7);
- аміни — похідні амоніаку, у молекулах якого один чи більше атомів Гідрогену заміщено на вуглеводневий залишок;
- кристалогідрати — це нестійкі кристалічні речовини, що складаються із солі та кристалізаційної води в певному стехіометричному співвідношенні.
Поняття про комплексні сполуки
У середині XIX століття виникла ідея, що в деяких атомів за певних умов виникають додаткові валентні можливості. Уперше це виявили на прикладі атомів Нітрогену, які могли сполучатися з чотирма вуглеводневими залишками, утворюючи четвертинні аміни. Згодом прикладів таких сполук накопичилося досить багато: їх назвали комплексними сполуками (від латин. complex — складний), щоб відрізняти від інших складних речовин, які називали просто сполуками. У комплексних сполуках катіони металічних елементів утворюють ковалентні зв’язки з іншими йонами або молекулами, причому кількість цих зв’язків значно більша, ніж звичайна валентність катіонів у інших сполуках.
Мал. 81.1. Будова комплексної частинки на прикладі [Co(NH3)6]2+
Комплексні сполуки — це сполуки, що утворюються внаслідок сполучення з центральним катіоном або атомом щонайменше двох нейтральних молекул чи аніонів ковалентним зв'язком.
У комплексних сполуках центральний йон часто називають комплексоутворювачем, або координаційним центром, а нейтральні молекули та йони, що з ним сполучаються, — лігандами. Центральний йон «розташовує» ліганди навколо себе в певному порядку (координує), тому комплексні сполуки також називають координаційними сполуками. Центральний йон сполучається з лігандами ковалентним зв’язком, утвореним за донорно-акцепторним механізмом (мал. 81.1): ліганди є донорами електронної пари, а центральний йон — акцептором. Природу зв’язку і властивості координаційних сполук вивчав Альфред Вернер, на основі чого 1893 року сформулював координаційну теорію. В Україні значний вклад у дослідження комплексних сполук зробив Віктор Васильович Скопенко.
Альфред Вернер (1866-1919)
Швейцарський хімік, лауреат Нобелівської премії 1913 р. за дослідження природи зв'язку в координаційних сполуках
Формули та назви комплексних сполук
Для запису формул комплексних сполук часто використовують квадратні дужки, за якими легко відрізнити їхні формули від формул інших речовин, хоча, певна річ, це не головна ознака.
Переважна більшість комплексних сполук складається з двох частин:
- внутрішня сфера — це, власне, сама комплексна частинка, яка складається з центрального йона та лігандів;
- зовнішня сфера — це йони (катіони чи аніони), що компенсують заряд комплексної частинки.
Формулу комплексної частинки зазвичай записують у квадратних дужках, а поряд — формулу зовнішньої сфери. Наприклад, в амоніачному розчині аргентум(І) нітрату утворюється комплексна сполука:
А для виявлення катіонів Fe2+ використовують червону кров’яну сіль:
Центральний йон характеризують координаційним числом — це кількість хімічних зв’язків, які утворює центральний йон із лігандами, тобто воно визначає кількість лігандів, що може координувати навколо себе центральний йон. Зазвичай координаційні числа парні (2, 4, 6 тощо) і дорівнюють подвоєному ступеню окиснення, хоча з цього правила є багато винятків.
Ліганди характеризують дентатністю (від латин. dente — зуб) — це кількість неподілених електронних пар, якими ліганди утворюють координаційні зв’язки з центральним йоном. Багато поширених лігандів є монодентатними (Н2О, NH3, CO, CN-, SCN-, ОН-, F-, Cl- тощо), тобто утворюють по одному зв’язку, аніони двохосновних кислот є здебільшого бідентатними (SO42-, S2O32-, CO32- тощо), а серед органічних сполук трапляються полідентатні ліганди.
Певною мірою координаційне число та дентатність є аналогами поняття «валентність» для центральних йонів і лігандів відповідно. Знаючи їх, можна скласти формулу будь-якої комплексної сполуки. Хоча частіше потрібно, навпаки, складати формули комплексних сполук за їх відомою назвою.
Назви комплексних сполук (як і солей) складаються з двох частин: перше слово — назва катіона, а друге — назва аніона. Якщо катіон чи аніон утворюють зовнішню сферу, то їхні назви такі самі, як і в назвах звичайних солей. Як, наприклад, у наведених вище сполуках слова «нітрат» та «калій».
У назвах комплексних частинок спочатку перелічують назви лігандів із зазначенням їх кількості, а потім наводять назву центрального йона із зазначенням ступеня окиснення (римськими або арабськими цифрами). Якщо комплексна частинка є аніоном, то в назві центрального йона додають суфікс -ат, або закінчення -ум замінюють на цей суфікс: цинк → цинкат, алюміній → алюмінат, ферум → ферат тощо.
Властивості та добування комплексних сполук
Якщо між центральним йоном та лігандами зв’язок ковалентний, то між комплексною частинкою (внутрішньою сферою) та зовнішньою сферою зв’язок йонний. Отже, переважна більшість комплексних сполук — це речовини з йонним зв’язком, вони утворюють крихкі кристали, добре розчинні у воді та мають інші властивості, характерні для йонних сполук. Переважна більшість комплексних сполук мають яскраве забарвлення.
• Електролітична дисоціація. Більшість комплексних сполук — сильні електроліти. Через наявність йонного зв’язку вони в розчинах дисоціюють як солі, з утворенням йонів комплексної частинки і зовнішньої сфери:
[Ag(NH3)2]NO3 → [Ag(NH3)2]+ + NO3-
K3[Fe(CN)6] → 3К+ + [Fe(CN)6]3-
Комплексні частинки також дисоціюють з утворенням центрального йона та лігандів, але цей процес відбувається дуже неефективно: дисоціації піддаються лише тисячні частки відсотка комплексних частинок.
• Добування комплексних сполук із безводних солей. Під час розчинення безводних солей йони металічних елементів утворюють координаційні зв’язки з молекулами води і фактично утворюють комплексні сполуки, що супроводжується зміною забарвлення. Наприклад, під час розчинення безводного купрум(ІІ) сульфату білого кольору у воді утворюється комплексна сполука Купруму з водою синього кольору:
Або лимонно-жовтий ферум(ІІ) хлорид під час розчинення у воді утворює смарагдово-зелений аквакомплекс:
Саме утворенням координаційних зв’язків йонами металічних елементів із молекулами води пояснюється те, що деякі солі під час кристалізації з розчинів «уносять із собою» певну кількість молекул води, тобто кристалізуються у вигляді кристалогідратів. Так, наведений вище синій аквакомплекс Купруму кристалізується з розчину у вигляді синіх кристалів мідного купоросу CuSO4 • 5Н2О. Кристалогідрати — це також комплексні сполуки, в яких лігандами є молекули води, а їхні формули записують дещо по-іншому.
Анатолій Терентійович Пилипенко (1914-1993)
Український хімік, досліджував застосування комплексних сполук у хімічному аналізі
• Заміна лігандів у внутрішній сфері комплексних сполук. Міцність зв’язку з центральним йоном у різних лігандів відрізняється. Зв’язок із молекулами води — не найміцніший, тому за наявності інших лігандів у розчині молекули води заміщуються іншими молекулами. Наприклад, у разі додавання розчину амоніаку до аргентум(І) нітрату утворюється амінокомплекс із Аргентумом:
[Ag(H2O)2]NO3 + 2NH3 = [Ag(NH3)2]NO3 + 2Н2О
а синій розчин купрум(ІІ) сульфату забарвлюється в інтенсивно фіолетовий колір:
Значення комплексних сполук
Комплексні сполуки дуже поширені в живій та неживій природі. Для багатьох металічних елементів характерне утворення координаційних сполук, у вигляді яких вони трапляються (мал. 81.2).
Мал. 81.2. Кристалогідрати солей (аквакомплекси): а — мідний купорос; б — залізний купорос
В якісному аналізі для виявлення різних йонів Феруму використовують жовту K4[Fe(CN)6] та червону K3[Fe(CN)6] кров’яні солі. Дуже поширеним лігандом є етилендіамінтетраацетат (ЕДТА), він утворює стійкі комплексні сполуки майже з усіма металічними елементами. Це використовують для визначення концентрації йонів металічних елементів у різних сумішах (у питній та технологічній воді, промислових стоках тощо).
Координаційні сполуки містяться й у живих організмах. Ви вже знаєте з уроків хімії та біології, що в живих організмах досить багато різних металічних елементів. Якщо лужні й лужноземельні елементи переважно містяться в розчинах у вигляді окремих йонів, то металічні мікроелементи та ультрамікроелементи є складовими координаційних сполук з органічними речовинами. Так, комплекс йонів Fe2+ із порфіриновим ядром (мал. 81.3) є функціональною основою гемоглобіну. Подібна комплексна сполука, але з Магнієм утворює хлорофіл. Ціанокоболамін (вітамін В12) є координаційною сполукою Кобальту.
Мал. 81.3. Координаційна сполука порфіри нового ядра з Ферумом утворює гемоглобін (а), із Магнієм — хлорофіл (б), із Кобальтом — вітамін В12 (в)
Ключова ідея
Катіони металічних елементів містяться не лише в йонних сполуках, а завдяки донорно-акцепторному механізму «відкривають» світ різноманітних за будовою і властивостями координаційних сполук.
Запитання та завдання
470. Дайте визначення поняття «комплексні сполуки».
471. Поясніть терміни: а) комплексоутворювач; б) центральний йон; в) ліганд; г) внутрішня сфера, зовнішня сфера; д) координаційне число; е) дентатність.
472. Як у більшості випадків можна визначити: а) координаційне число комплексоутворювача; б) дентатність лігандів?
473. Наведіть особливості номенклатури комплексних сполук порівняно із солями.
474. Схарактеризуйте методи добування та хімічні властивості комплексних сполук.
475. Складіть назви комплексних сполук: [Ni(NH3)6]Cl2, H[AuCl4], K2[HgI4], Na[Co(NH3)2(NO2)4], [Cr(H2O)5Cl]Cl, [Pt(NH3)4(H2O)2](NO3)2, [Ni(CO)4], Na[Ag(CN)2], H2[SiF6], [Ni(NH3)6]Cl2, K2[Zn(OH)4], Na[AuCl4], Na[AgCl2], [Cr(H2O)6](NO3)3, K3[Cr(CN)6], Ba[Pt(NO3)4Cl2], K4[CoF6], Ca2[Fe(CN)6], (NH4)2[Fe(SO4)2], Na2[PtCl6].
476. Наведені формули речовин запишіть, як формули координаційнних сполук: 2NH4Cl • PtCl4, K2C2O4 • CuC2O4, KCl • AuCl3, 2Ca(CN)2 • Fe(CN)2, (NH4)4 • Fe(SO4)2. Складіть назви цих сполук.
477. Обчисліть масу тетраамінкупрум(IІ) сульфату, що утворюється під час взаємодії купрум(IІ) сульфату пентааквагідрату (мідного купоросу) масою 10 г із розчином амоніаку в достатній кількості.
478. Обчисліть масу аргентум(І) нітрату, що необхідний для повного осадження хлорид-іонів, які містяться в розчині гексааквахром(ІІІ) хлориду об'ємом 0,3 л із концентрацією солі 0,01 моль/л.
