Физические и химические свойства комплекса

Введение

В последнее время все большее внимание уделяется рассмотрению комплексных соединений, их свойств, роли в природе и для человека. В связи с этим актуальной становится проблема синтеза комплексных соединений из простых веществ. Выяснить, каким образом и с помощью каких средств происходит синтез моногидрата сульфата тетраамминмеди(II), и для чего необходимо это вещество мы хотим показать в данной работе.

Цель данной работы: Обучение методике синтеза комплексных соединений из простых веществ и изучения их свойств на примере получения комплексного соединения - моногидрата сульфата тетраамминмеди(II) [Cu(NH3)4]SO4*H2O .

Комплексные соединения

Комплексные соединения составляют наиболее обширный и разнообразный класс неорганических веществ. К ним принадлежат также многие металлоорганические соединения, связывающие воедино ранее разобщённые неорганическую и органическую химию. Многие комплексные соединения – витамин В₁₂ , гемоглобин, хлорофилл и другие – играют большую роль в физиологических и биохимических процессах.(1)

Образование комплексных соединений не может быть объяснено с точки зрения обычного учения о валентности. Их состав совершенно не согласуется с теми числами валентности, которые используются при составлении формул более простых «бинарных» соединений, то есть соединений, состоящих только из двух элементов. Поэтому успешное изучение комплексных соединений стало возможным лишь после того, как в химию были введены некоторые новые представления о валентной связи. Эти представления легли в основу теории комплексных соединений, предложенной в 1893 г. профессором Цюрихского университета Альфредом Вернером (1866-1919) и получившей название координационной теории. Он представлял себе химическое сродство как силу, равномерно действующую в пространстве по всем направлениям. Под действием этой силой каждый атом стремится равномерно окружить себя ионами или молекулами, оказывающимися после этого в непосредственной связи с атомом, играющим роль центра притяжения.

В своей теории Вернер разделил все неорганические вещества на так называемые соединения первого и высшего порядка. К соединениям первого порядка он отнес главным образом достаточно простые по своей структуре вещества, такие как H₂O, NaCl, PCl₃ и другие. Соединениями высшего порядка ученый предложил считать продукты взаимодействия между собой соединений первого порядка — кристаллогидраты, аммиакаты, полисульфиды, двойные соли, а также комплексные соединения.Основные положения координационной теории А.Вернера:1. В комплексных соединениях один из атомов - комплексообразователь (центральный атом); вокруг него определенным образом координированы лиганды.2. Центральный атом с лигандами связан донорно-акцепторными связями (или электростатически) и образует внутреннюю координационную сферу соединения.3. В большинстве случаев число лигандов, непосредственно связанных с центральным атомом, называется координационным числом, которое принимают за 2, 4, 6. 8.4. Внутренняя сфера обладает определенной устойчивостью и имеет заряд равный сумме комплексообразователя и лигандов.5. Ионы, располагающиеся на более далеком расстоянии от центрального атома, образуют внешнюю координационную сферу.

Число занимаемых лигандом координационных мест центрального атома (или атомов), называется дентатностью (от лат. dens, dent- — зуб). Лиганды, занимающие одно координационное место, называются монодентатными, два — бидентатными. Лиганды, способные занять большее количество мест, обычно обозначают как полидентатные. Например,этилендиаминтетрауксусная кислота (EDTA), способная занять шесть координационных мест.

К монодентатным лигандам относятся:

a) однозарядные анионы (OH− , F− , Cl− , I− , NO−2 , CN− , CNS− );

b) нейтральные молекулы (H2O, NH3 ).

К бидентатным лигандам относятся такие как двухзарядные анионы (SO4 2-, S2O3 2-,С2О42-), а также нейтральные молекулы, например этилендиамин NH2(CH2)2NH2

Общее число лигандов при данном центральном ионе – координационное число - зависит от его природы, заряда и от природы лигандов. Чаще всего встречаются следующие координационные числа:

Заряд комплексообразователя	+1	+2	+3	+4
Типичное координационное число		4, 6	4, 6

Заряд комплексного иона уравновешивается зарядами соответствующих противоионов, образующих внешнюю координационную сферу (запи-

сываются за квадратными скобками), например:

[Cu(NH3)4]SO4, [Ag(CN)2]Cl.

Рассмотрим положения теории на примере нашего комплекса:

1. В качестве центрального иона-комплексообразователя выступает Сu²⁺

2. Лигандами являются 4 аммиака– (NH3)4

Координационное число, характерное для Сu²⁺ - четыре.

NH3 – нейтральная молекула: монодентатный лиганд.

3. Заряд комплекса – 2+ (NH3 имеет нулевой заряд)

4. SO4 – противоион (внешняя координационная сфера).

Обзор литературных данных

Методика синтеза

Внесите в химический стакан емкостью 50 мл 5,00 г пентагидрата сульфата меди(II), мелко растертого в фарфоровой ступке и растворите при умеренном нагревании в 10 мл воды. Раствор слегка охладите и постепенно, при тщательном перемешивании прилейте к нему концентрированный водный раствор аммиака порциями по 1 мл до полного растворения выпадающего вначале голубого осадка сульфата гидроксомеди(II). Раствор профильтровать на стеклянной конической воронке через бумажный фильтр в стакан емкостью 100 мл. К полученному темно-синему раствору сульфата тетраамминмеди(II) добавьте 20 мл этанола. Стакан со смесью охладите в бане со льдом. Образовавшийся кристаллический осадок темно-синего цвета отфильтровать на воронке со стеклянным пористым фильтром, дважды промыть этанолом. Просушить кристаллы на воронке током воздуха и взвесить.

Физические и химические свойства комплекса

Внешний вид:
Синие ромбические кристаллы.

Молекулярная масса (в а.е.м.): 245,74

Температура разложения (в °C): 150 (200 по данным из источника(8))

Растворимость (в г/100 г или характеристика):вода: 18,5 (21,5°C)
В этаноле не растворим.
Плотность:1,81 (20°C, г/см³)

На воздухе устойчив.

При нагревании разлагается с образованием сульфат меди(II),газообразного аммиака и воды.

[Сu(NH3)4]SO4*H2O = CuSO4 + NH3↑ +H2O↑ (при Т)

Применение

Комплексные соединения меди, в частности, аммиачные комплексы широко применяются в промышленности.

Многие важные свойства исследуемого комплекса обусловлены его центральным ионом-комплексообразователем – Cu²⁺ . Сама по себе медь – довольно мягкий металл красивого красновато-розового цвета. Человеку известна с незапамятных времён благодаря тому, что часто встречается в самородном виде.

Латинское название меди происходит от названия острова Кипра (Cuprus), где в древности добывали медную руду; однозначного объяснения происхождения этого слова в русском языке нет. (9) У Страбона медь именуется халкосом, от названия города Халкиды на Эвбее. От этого слова произошли многие древнегреческие названия медных и бронзовых предметов, кузнечного ремесла, кузнечных изделий и литья. Второе латинское название меди Aes (санскр, ayas, готское aiz, герм. erz, англ. ore) означает руда или рудник. Сторонники индогерманской теории происхождения европейских языков считают русское слово медь (польск. miedz, чешск. med) родственным древненемецкому smida (металл) и Schmied (кузнец, англ. Smith). От этого слова произошли и родственные названия — медаль, медальон (франц. medaille). Слова медь и медный встречаются в древнейших русских литературных памятниках. Алхимики именовали медь «венера» (Venus). В более древние времена встречается название «марс» (Mars).

Медь встречается в природе кроме самородного вида в различных соединениях соединениях. Промышленное значение имеют халькопирит CuFeS₂, также известный как медный колчедан, халькозин Cu₂S и борнит Cu₅FeS₄. Вместе с ними встречаются и другие минералы меди: ковеллин CuS, куприт Cu₂O, азурит Cu₃(CO₃)₂(OH)₂, малахит Cu₂CO₃(OH)₂. Иногда медь встречается в самородном виде, масса отдельных скоплений может достигать 400 тонн. Сульфиды меди образуются в основном в среднетемпературных гидротермальных жилах. Также нередко встречаются месторождения меди в осадочных породах — медистые песчаники и слпнцы. Наиболее известные из месторождений такого типа — Удокан в Читинской области, Джезказган в Казахстане, меденосный пояс Центральной Африки и Мансфельд в Германии. Другие самые богатые месторождения меди находятся в Чили (Эскондида и Кольяуси) и США (Моренси). Большая часть медной руды добывается открытым способом. Содержание меди в руде составляет от 0,3 до 1,0 %.(10)

Применение: медь, как полагают, — первый металл, который человек научился обрабатывать и использовать для своих нужд. Найденные в верховьях реки Тигр изделия из меди датируются десятым тысячелетием до нашей эры. Позднее широкое применение сплавов меди определило материальную культуру бронзового века (конец 4 — начало 1 тысячелетия до нашей эры) и в дальнейшем сопровождало развитие цивилизации на всех этапах. Медь и ее использовались для изготовления посуды, утвари, украшений, различных художественных изделий. Особенно велика была роль бронзы.

С 20 века главное применение меди обусловлено ее высокой электропроводимостью. Более половины добываемой меди используется в электротехнике для изготовления различных проводов, кабелей, токопроводящих частей электротехнической аппаратуры. Из-за высокой теплопроводности медь — незаменимый материал различных теплообменников и холодильной аппаратуры. Широко применяется медь в гальванотехнике — для нанесения медных покрытий, для получения тонкостенных изделий сложной формы, для изготовления клише в полиграфии и др.

Большое значение имеют медные сплавы — латуни (основная добавка цинк (Zn)), бронзы (сплавы с разными элементами, главным образом металлами — оловом (Sn), алюминием (Al), берилием (Be), свинцом (Pb), кадмием (Cd) и другими, кроме цинка (Zn) и никеля (Ni)) и медно-никелевые сплавы, в том числе мельхиор и нейзильбер. В зависимости от марки (состава) сплавы используются в самых различных областях техники как конструкционные, антидикционные, стойкие к коррозии материалы, а также как материалы с заданной электро- и теплопроводностью Так называемые монетные сплавы (медь с алюминием (Al) и медь с никелем (Ni)) применяют для чеканки монет — «меди» и «серебра»; но медь входит в состав и настоящих монетного серебра и монетного золота.

Кроме нужд тяжёлой промышленности, связи, транспорта, некоторое количество меди (главным образом в виде солей) потребляется для приготовления минеральных пигментов, борьбы с вредителями и болезнями растений (например смешанный ацетат-арсенит меди (II), применяемый под названием «Парижская зелень» (1)), в качестве микроудобрений, катализаторов окислительных процессов, а также в кожевенной и меховой промышленности и при производстве искусственного шёлка, архитектуре. Медь — самый широко употребляемый катализатор полимеризации ацетилена.

В нашем соединении медь имеет степень окисления +2. Степень окисления II — наиболее стабильная степень окисления меди. Ей соответствует чёрный оксид CuO и голубой гидроксид Cu(OH)₂, который при стоянии легко отщепляет воду и при этом чернеет:

Cu(OH)₂ = CuO + H₂O

Гидроксид меди (II) носит преимущественно основный характер и только в концентрированной щелочи частично растворяется с образованием синего гидроксокомплекса.Соли меди(II) образуются при растворении меди в кислотах-окислителях (азотной, конц. серной). Большинство солей в этой степени окисления имеют синюю или зелёную окраску.Соединения меди(II) обладают слабыми окислительными свойствами, что используется в анализе (напр., использование реактива Фелинга). Карбонат меди(II) имеет зелёную окраску, что является причиной позеленения элементов зданий, памятников и изделий из меди. Сульфат меди(II) при гидратации даёт синие кристаллы медного купороса CuSO₄∙5H₂O, используется как фунгицид. Оксид меди (II) используются для получения оксида иттрия бария меди (YBa₂Cu₃O_7-δ), который является основой для получения сверхпроводников.