Строение и химическая связь в комплексных соединениях

Притяжение между молекулами, атомами и ионами часто приводит к образованию новых, более сложных частиц, в которых наблюдается определенное расположение в пространстве (координация) взаимодействующих частиц. Образующиеся при этом вещества называют комплексными (или координационными) соединениями. Они составляют наиболее обширный и разнообразный класс неорганических веществ. К ним принадлежат также многие металлорганические соединения, связывающие воедино неорганическую и органическую химию. Многие комплексные соединения - витамин В₁₂, гемоглобин, хлорофилл и другие - играют большую роль в физиологических и биохимических процессах.

Основоположником учения о комплексных соединениях считают швейцарского химика, лауреата Нобелевской премии А.Вернера. Большой вклад внесли в развитие координационной химии российские ученые Л.А.Чугаев, И.И. Черняев, А.А. Гринберг и др.

Общепринятого определения комплексных соединений не существует. Это объясняется большим разнообразием их строения и свойств, однако, любой комплекс можно рассматривать как сочетание более простых молекул и ионов, способное к самостоятельному существованию в растворах или кристаллическом состоянии.

Структура комплексных соединений

Координационная (внутренняя) сфера состоит из:

n Центральной частицы – комплексообразователя (заряженный или нейтральный атом);

n Лигандов (ионы противоположного знака или молекулы)

Внешняя сфера – ионы, находящиеся за пределами координационной сферы

ион комплексообразователя лиганд внешняя сфера

[Ag(NH₃)₂]Cl

внутренняя сфера координационное число

Число лигандов, располагающихся вокруг комплексообразователя, называется координационным числом.

Диссоциация комплексных соединений:

[Ag(NH₃)₂]Cl↔ [Ag(NH₃)₂]⁺ + Cl^-

Основные типы и номенклатура комплексных соединений

Среди комплексных соединений имеются кислоты, основания и соли; есть также вещества, не диссоциирующие на ионы, т.е. неэлектролиты:

Кислоты основания соли неэлектролиты

H[AuCl₄] [Ag(NH₃)₂]OH [Ni(NH₃)₄](NO₃)₂ [Pt(NH₃)₂Cl₂]

H₂[SiF₆] [Cu(NH₃)₄](OH)₂ Na₃[AlF₆] [Ni(CO)₄]

В зависимости от природы лиганда различают:

аквакомплексы (лиганды – молекулы Н₂О),

амминокомплексы (лиганды – молекулы NH₃),

гидроксосоединения (лиганды – ионы ОН^-),

ацидокомплексы (лиганды – кислотные остатки).

Имеются также соединения смешанного типа, включающие несколько лигандов.

Название комплексного аниона начинают с указания состава внутренней сферы. Во внутренней сфере, прежде всего, называют анионы, прибавляя к их латинскому названию окончание «о». Например: Сl^- - хлоро, СN^- циано, SO₃^2- - сульфито, ОН^- - гидроксо и т.д. Далее называют нейтральные лиганды. При этом пользуются терминами: для координированного аммиака – аммин, для воды – аква и т.д. Число лигандов указывают греческими числительными: 1 – моно, 2 – ди, 3 – три, 4 – тетра, 5 – пента, 6 – гекса. Затем римскими цифрами указывают степень окисленности центрального атома и его русское или латинское название, а в конце прибавляют окончание - «ат». После обозначения состава внутренней сферы называют внешнесферные катионы. В случае неэлектролитов степень окисленности центрального атома не приводят, так как она однозначно определяется исходя из электронейтральности комплекса. Если центральный атом входит в состав катиона, то используют русское название элемента и в скобках указывают его степень окисленности. Например:

n К₃[Fe (CN)₅NH₃] – пентациано-аммин-(III) феррат калия

n (NH₄)₂[Pt(OH)₂ Cl₄] – дигидроксотетрахлоро – (IV) платинат аммония

n [Cr(H₂O)₃ F₃] – трифторо-триаква-хром

n [Co(NO₂)₂ Cl(NH₃)₃] – динитро-хлоро-триаммин-кобальт

n [Pt(NH₃)₄ Cl₂]Cl₂ – хлорид дихлоро-тетрааммин-платины (IV)

n [Ag(NH₃)₂]Cl – хлорид диамин-серебра (I)

В качестве комплексообразователей могут выступать металлов. Чаще всего это катионы d-элементов, обладающие большим числом вакантных орбиталей, нейтральные атомы металлов (никель, хром, железо), редко атомы неметаллов (бор, фосфор, кремний). Лигандами являются анионы или нейтральные молекулы, чаще всего лиганд содержит атом неметалла, обладающий неподеленной электронной парой и способный выступать в качестве донора при образовании ковалентной связи по донорно-акцепторному механизму.

Далее будут изложены основные теории химической связи, в том числе описывающие связь в комплексных соединениях, но во всех случаях для комплексных соединений за основу принимается донорно-акцепторное взаимодействие центрального атома комплексообразователя и лиганда.

Задачи

1. Определите все валентные состояния атомов марганца и вольфрама.
2. Объясните, почему максимальная валентность фосфора может быть равной пяти, а у азота такое валентное состояние отсутствует?
3. Как влияет размер атомов на длину и энергию образующейся между ними связи?
4. Какая из связей: Са – Н, С – S, O – Cl является наиболее полярной? К какому из атомов смещено молекулярное электронное облако?
5. Объясните донорно-акцепторный механизм образования ковалентной связи на примере иона фосфония РН₄⁺.
6. Каково взаимное расположение электронных облаков при sp³-гибридизации? Приведите примеры соединений с таким типом гибридизации. Какова пространственная структура молекул этих веществ?
7. Молекула хлорида бора ВСl₃ имеет плоскую структуру, а хлорида азота NCl₃ – пирамидальную. Чем объясняется это различие?