Строение комплексных соединений
Структура таких веществ принципиально отличается от простых солей. Главным критерием выделения их в отдельный класс служит именно пространственное строение.
Основные компоненты структуры:
- Центральный атом (комплексообразователь) — атом или ион, занимающий центральное положение в структурной единице вещества.
- Лиганды — атомы или атомные группы, которые непосредственно связаны с комплексообразователем (например, группы $CN$, молекулы воды или аммиака).
- Координационное число — точное число лигандов, которые образовали связь с центральным атомом.
Ключевое правило: реакция приводит к образованию комплексного соединения только тогда, когда координационное число центрального атома начинает превышать его валентность.
Рассмотрим красную кровяную соль — $K_3[Fe(CN)_6]$. Центральным атомом выступает трехвалентное железо $Fe(III)$. При этом оно окружено шестью лигандами $CN$. Координационное число (6) больше валентности (III) — перед нами истинный комплекс.
Для сравнения возьмем хлорид железа(III) $FeCl_3$. В его кристаллической решетке одно железо тоже окружено шестью атомами хлора. Однако в самой формульной единице хлоров только три. Поэтому $FeCl_3$ к комплексным соединениям не относится, в нем нет обособленных комплексных частиц.
Правила номенклатуры
Названия комплексных соединений обычно состоят из двух слов, обозначающих внешнюю и внутреннюю сферы. При этом внутренняя сфера формируется по строгому алгоритму: сначала указывается число лигандов (греческие приставки ди-, три-, тетра-, пента-), затем название самого лиганда (молекула воды $H_2O$ называется аква, аммиак $NH_3$ — аммин), а в конце — центральный атом с указанием валентности римской цифрой.
Существует три разновидности комплексов, и для каждой действуют свои правила:
- Анионные комплексы (комплекс является анионом).
На первом месте в формуле стоит катион металла внешней сферы. Название внутренней сферы получает окончание -ат, а для центрального атома используется латинское название. Пример: $Na[CuCl_2]$ — дихлорокупрат(I) натрия.
- Катионные комплексы (комплекс является катионом).
В формуле внутренняя сфера стоит на первом месте. При чтении она ставится после названия аниона (внешней сферы). Центральный атом называется по-русски в родительном падеже. Пример: $[Cu(NH_3)_4]SO_4$ — сульфат тетраамминмеди(II).
- Нейтральные комплексы.
У них полностью отсутствует внешняя сфера. Название пишется в одно слово, а валентность центрального атома указывать не нужно. Пример: $[Zn(NH_3)_2Cl_2]$ — дихлородиамминцинк.
Химические реакции и свойства
В химии комплексных соединений выделяют два наиболее характерных типа химических превращений.
1. Реакции обмена ионов внешней сферы Протекают в водных растворах, при этом сама комплексная частица не разрушается. Происходит только замена ионов, находящихся за пределами квадратных скобок. Если к сульфату тетраамминмеди(II) добавить хлорид бария, произойдет классический обмен: $$[Cu(NH_3)_4]SO_4 + BaCl_2 = [Cu(NH_3)_4]Cl_2 + BaSO_4\downarrow$$ В результате выпадает белый осадок сульфата бария. Фиолетово-синяя окраска раствора при этом сохраняется, так как она обусловлена комплексным ионом $[Cu(NH_3)_4]^{2+}$, который остался невредим.
2. Реакции замещения лигандов Это процесс замены одних частиц во внутренней сфере на другие, которые способны образовать более прочные связи с центральным атомом. Например, в водном растворе ионы меди связаны с водой, образуя голубые аквакомплексы. Если добавить аммиак, молекулы воды заместятся на молекулы $NH_3$: $$[Cu(H_2O)_4]SO_4 + 4NH_3 = [Cu(NH_3)_4]SO_4 + 4H_2O$$ Аквакомплекс превращается в аммиакат. Визуально это сопровождается резким изменением цвета раствора с голубого на насыщенный фиолетово-синий.
Природа и биологическая роль
Само слово происходит от латинского complexus — соединение чего-либо в единое целое. Как правило, они образуются из более простых сложных веществ (что, впрочем, характерно и для кислот или солей).
Комплексные соединения широко распространены в природе. Многие минералы по своей химической структуре относятся именно к этому классу. Они играют критически важную роль в поддержании нормальной жизнедеятельности как растений, так и животных.
Благодаря своим специфическим химическим свойствам и способности менять лиганды, эти вещества нашли широчайшее практическое применение. В современной практике они активно используются в качестве лекарственных средств, а также применяются как промышленные и лабораторные красители.
Коротко: ответы на вопросы по теме
По какому механизму образуются химические связи между центральным атомом и лигандами во внутренней сфере?
Химические связи между центральным атомом и лигандами во внутренней сфере образуются по донорно-акцепторному механизму. Центральный атом (комплексообразователь) выступает в роли акцептора, предоставляя для связи свободные валентные орбитали. Лиганды являются донорами и передают свои неподеленные электронные пары на свободные орбитали центрального атома. Например, в аммиачных комплексах азот предоставляет электронную пару, а ион металла выступает как акцептор.
Что такое дентатность лигандов и на какие типы они делятся по этому признаку?
Дентатность характеризует число связей, которые лиганд образует с центральным атомом. По этому признаку выделяют следующие типы лигандов:
- Монодентатные — образуют одну связь с комплексообразователем (например, молекулы аммиака).
- Бидентатные — образуют две связи с центральным атомом в одной молекуле (например, этилендиамин).
Увеличение числа связей одного лиганда с центральным атомом приводит к возникновению хелатного эффекта и повышению прочности комплексного соединения.
Какие конкретно биологически важные комплексные соединения (металлопротеины) обеспечивают транспорт кислорода и тканевое дыхание?
К биологически важным соединениям, связанным с транспортом кислорода и тканевым дыханием, относятся:
- Гемоглобин — транспорт O₂ к тканям и CO₂ к лёгким.
- Миоглобин — связывание, транспорт и депонирование O₂ непосредственно в мышечной ткани.
- Цитохромы — обеспечение процессов тканевого дыхания и перенос электронов. Комплекс IV (цитохром-с-оксидаза) является конечным звеном переноса электронов на молекулярный кислород.
Что такое хелатные комплексы и в чем заключается причина их высокой термодинамической устойчивости?
Хелатные комплексы (внутрикомплексные соединения) — это комплексные соединения, в которых один лиганд образует с центральным атомом две или более донорно-акцепторных связей. Их повышенная прочность связана с хелатным эффектом. Например, этилендиамин имеет два донорных атома азота и образует две связи с центральным атомом; комплексы с диаминами прочнее комплексов с моноаминами.
Как диссоциируют комплексные соединения в водных растворах по сравнению с двойными солями?
Сравнение диссоциации комплексных соединений с двойными солями в приведённых источниках не дано. Согласно источникам, комплексные соединения с внешней сферой относятся к сильным электролитам, а комплексные соединения без внешней сферы — к слабым электролитам. При обмене ионами внешней сферы комплексный ион сохраняется.
Чтобы не путать номенклатуру, запомните соответствие букв: Анионный комплекс -> используем лАтинское название металла + суффикс -Ат. Катионный комплекс -> используем просто русское название.
Вопросы с занятий и экзамена
Как по формуле быстро отличить комплексное соединение от обычной соли?
Главный визуальный признак — наличие квадратных скобок в химической формуле, которые выделяют внутреннюю сферу. Кроме того, в формульной единице число лигандов вокруг центрального атома должно превышать его валентность.
Разрушается ли комплексный ион при обменных реакциях?
Нет, в реакциях обмена участвуют только ионы внешней сферы. Внутренняя сфера (комплексный ион) сохраняет свою структуру, что подтверждается неизменной окраской раствора.
Что происходит при реакции замещения лигандов?
Одни лиганды во внутренней сфере вытесняются другими, если новые частицы образуют более прочные связи с комплексообразователем. Например, вода в аквакомплексе меди может полностью заместиться на аммиак.
Что ещё разобрать по теме
- Определение координационного числа металлов в сложных комплексах
- Специфические названия лигандов при составлении номенклатуры
- Алгоритм написания формулы комплексного соединения по его названию
- Синтез комплексных соединений цинка с этилендиамином
Разберите тему целиком в курсе «Химия»
Здесь — выжимка. В курсе — всё, что спрашивают на занятии и экзамене.
- Полная методичка по теме «Комплексные соединения» и ещё 3 009 страниц предмета
- Задания и тесты после каждой темы — как на коллоквиуме
- AI-тьютор ответит на вопрос по теме в любое время
- 95 видеоуроков по предмету
Другие темы раздела «Глава 3. Классификация веществ»
Материал подготовлен преподавателями Школы Сеченова по учебной программе медицинских вузов. Носит образовательный характер.