Комплексные соединения
СОДЕРЖАНИЕ
Введение
Глава I. Комплексные соединения
1.1. Общие принципы строения
1.2. Кристаллогидраты и двойные соли
1.3. Распространённые комплексные соединения
Глава II. Значение комплексных
соединений
2.1. Применение комплексных
химии
2.2. Применение комплексных
2.3. Хлорофилл и гемоглобин
Заключение
Литература
ВВЕДЕНИЕ
Комплексообразующие элементы являются
организаторами жизни
(К.Б. Яцимирский).
Комплексные соединения — самый большой и многочисленный класс неорганических соединений, но их изучение началось только в конце XIX – начале XX века.
Комплексные (координационные) соединения чрезвычайно широко распространены в живой и неживой природе, применяются в промышленности, сельском хозяйстве, науке, медицине. Так, хлорофилл - это комплексное соединение магния с порфиринами, гемоглобин содержит комплекс железа(II) с порфириновыми циклами. Многочисленные минералы, как правило, представляют собой координационные соединения металлов. Значительное число лекарственных препаратов содержит комплексы металлов в качестве фармакологически активных веществ, например инсулин (комплекс цинка), витамин B12 (комплекс кобальта), платинол (комплекс платины) и т.д. В широком смысле слова почти все соединения металлов можно считать комплексными соединениями. Основателем координационной теории комплексных соединений является швейцарский химик Альфред Вернер (1866 - 1919); за работы в этой области ему в 1913 году была присуждена Нобелевская премия по химии. 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.
Глава I. Комплексные соединения
Комплексные соединения — молекулярные
соединения определенного состава,
образование которых из более
простых молекул не связано с
возникновением новых электронных
пар. В большинстве случаев
Чаще всего образование
1.1. Общие принципы строения
Согласно координационной
Например, в комплексной соли K2[PtCl6], схематическое строение которой показано на рис. 1, комплексообразователем является ион четырехвалентной платины, аддендами – ионы хлора, а во внешней координационной сфере находятся ионы калия.
Чтобы отметить различие между внутренней и внешней сферами в формулах комплексных соединений, адденды вместе с комплексообразователем заключают в квадратные скобки.
Комплексные соединения разделяют
на две группы: однородные и неоднородные.
К однородным относятся комплексные
соединения, во внутренней сфере которых
находятся только одинаковые лиганды,
а к более многочисленной группе
неоднородных — соединения, во внутренней
сфере которых находится
Образование неоднородных комплексов чаще всего происходит при замещении нескольких нейтральных молекул во внутренней сфере комплексного иона заряженными частицами. Например, при замещении трех молекул аммиака в комплексном ионе [Pt(NH3)6]4+ ионами хлора образуется неоднородный комплексный ион [Pt(NH3)3Cl3]+.
Общее число нейтральных молекул и ионов, связанных с центральным ионом в комплекс, называется координационным числом комплексообразователя. Например, в приведенной выше соли K2[PtCl6] координационное число комплексообразователя, то есть иона четырехвалентной платины, равно шести. Координационное число играет в химии комплексных соединений не менее важную роль, чем число единиц валентности атома, и является таким же основным его свойством, как и валентность.
Величина координационного
числа определяется главным
Подобно тому, как валентность элемента
далеко не всегда проявляется полностью
в его соединениях, так и координационное
число комплексообразователя
Заряд комплексного иона равняется
алгебраической сумме зарядов составляющих
его простых ионов. Входящие в
состав комплекса электронейтральные
молекулы не оказывают никакого влияния
на величину заряда. Если вся внутренняя
координационная сфера
О заряде комплексного иона можно также судить по зарядам ионов, находящихся во внешней координационной сфере. Например, в соединении K4[Fe(CN)6] заряд комплексного иона [Fe(CN)6] равен минус четырем, так как во внешней сфере находятся четыре положительных однозначных иона калия, а молекула в целом электронейтральна. Отсюда в свою очередь легко определить заряд комплексообразователя, зная заряды остальных содержащихся в комплексе ионов.
Согласно современной
При гидролизе комплексные
1.2 Кристаллогидраты и двойные соли.
При определенных условиях нейтральные молекулы, входящие в состав комплекса, например молекулы аммиака, могут быть замещены молекулами воды. При этом образуются кристаллогидраты — кристаллические образования, в построении которых молекулы воды участвуют как самостоятельные единицы. Особенно легко образуются кристаллогидраты различных солей.
Состав кристаллогидратов
По своему строению кристаллогидраты — комплексные соединения. Например, кристаллогидрат хлорида хрома CrCl3 6H2O является комплексным соединением [Cr(H2O)6]Cl3, отщепляющим в растворе ионы [Cr(H2O)6]3+.
Кристаллогидраты, содержащие шесть молекул воды, встречаются очень часто. К ним относятся, например, кристаллогидраты хлорида трехвалентного железа FeCl3, хлорида никеля NiCl2, хлорида алюминия AlCl3 и других. Согласно координационной теории, все они имеют строение, аналогичное строению кристаллогидрата хлорида хрома: [Fe(H2O)6]Cl3, [Ni(H2O)6]Cl2, [Al(H2O)6]Cl3.
Точно также и другие кристаллогидраты
следует рассматривать как
К комплексным солям очень близко примыкают так называемые двойные соли, например обыкновенные квасцы: KAl(SO4)2 12H2O или K2SO4 Al2(SO4)3 24H2O. Подобно двойным солям, комплексные соли часто образуются из двух простых солей и могут быть изображены формулами, аналогичными формулам двойных солей. Например, комплексная соль K[Ag(CN)2] соответствует двойной соли AgCN KCN.
Основное различие между двойными и комплексными солями заключается в том, что двойные соли при диссоциации дают все те ионы, которые находились в растворах простых солей, из которых они были образованы, а комплексные соли диссоциируют с образованием комплексных ионов.
Однако резкой границы между
этими солями не существует, т.к. комплексные
ионы в свою очередь могут подвергаться
диссоциации. В зависимости от величины
диссоциации различают более
стойкие и менее стойкие
Двойные соли — это те же комплексные соединения, но с очень малостойкой внутренней координационной сферой. В растворе любой двойной соли всегда имеются в большем или меньшем количестве комплексные ионы.
Частным случаем комплексных соединений
также являются кислородсодержащие
кислоты и их соли. Комплексным
ионом в таких соединениях
является кислотный остаток, лигандами
— атомы кислорода, а во внешней
сфере находятся атомы водорода
или металла. Например, в сульфате
натрия — соли кислородсодержащей
серной кислоты —
1.3. Распространенные комплексные соединения.
Среди комплексных соединений наиболее распространенными являются соединения аквокомплексов, цианидных комплексов, гидроксокомплексов и нитритных комплексов со щелочными и щелочноземельными металлами, такими как кальций, натрий, алюминием, с железом, с медью, а также с аммонийным комплексом.
Одним из самых активных комплексообразователей является алюминий. При взаимодействии галоидов алюминия (соединений алюминия с галогенами) с галоидными солями ряда одновалентных металлов образует комплексные соединения вида M[AlГ6] и M[AlГ4], где Г — Cl, Br или I.
Сульфат алюминия, который обычно выделяется из растворов в виде кристаллогидрата Al(SO4)3 18H2O, при взаимодействии с сульфатами ряда одновалентных металлов образует бесцветные комплексные соли типа M[Al(SO4)2] 12H2O. Будучи вполне устойчивы в твердом состоянии, эти соли, называемые квасцами, в растворе сильно диссоциированы на отдельные составляющие их ионы. В качестве одновалентных катионов в их состав могут входить катионы калия, натрия, аммоний и некоторые другие. Важнейшим соединение этого типа являются калиево-алюминиевые квасцы [KAl(SO4)2 12H2O]. Они используются при крашении тканей в качестве протравы, в кожевенной промышленности для дубления кож, в бумажной — при проклеивании бумаги. В медицине квасцы используются как наружное вяжущее средство для остановки кровотечения при мелких порезах.
Активными комплексообразователями являются атомы железа и элементов его семейства. Наиболее известны неоднородные комплексные соли Na[Fe(NO)2S] 4H2O, обладающая красным цветом, и K[Fe(NO)2S2O3] H2O, обладающая желтым цветом. Подобные производные кобальта и никеля представляют собой легкорастворимые в воде кристаллы бронзового (кобальт) или синего (никель) цвета. Для никеля наиболее характерны цианидные комплексы. Их основными представителями являются K4[Ni2(CN)6] и K4[Ni(CN)4]. Лучше изучен цианид состава K4[Ni2(CN)6], который в водной щелочной среде довольно устойчив, но в кислой среде из раствора осаждается оранжевый NiCN. В водном растворе K4[Ni2(CN)6] способен присоединять оксид углерода (II), при этом образуется неоднородное комплексное соединение K4[Ni2(CN)6(CO)2], имеющее желтый цвет. В щелочных растворах оно, также как и K4[Ni2(CN)6], довольно устойчиво, но в кислых распадается на K2[Ni(CN)4] и Ni(CO)4.
Комплексообразование
Комплексообразователями могут быть и элементы подгруппы меди: золото и серебро. Для серебра, как и для меди, наиболее характерным является катион [Ag(NH3)2], также образующийся при воздействии аммиака на соли серебра. Характерной особенностью Au3+ является склонность к образованию комплексных анионов. Например, при взаимодействии AuCl3 с водой образуется коричнево-красный раствор аквокислоты с формулой H2[OAuCl3], дающей с ионами серебра желтый осадок трудно растворимой серебряной соли — Ag2[OAuCl3].
Для бериллия и магния комплексообразование характерно главным образом для их фторидов, образующих комплексы типов M[ЭF3] и M2[ЭF4], где М — одновалентный металл. Примерами могут служить K[BeF3], K[MgF3] и K2[MgF4]. Для других галоидов бериллия и магния комплексообразование с соответствующими галоидами щелочных металлов не характерно, но некоторые производные аниона [BeCl4]2+ известны. Для многих безводных солей бериллия и магния характерно легкое образование комплексных аммиакатов. При обычных температурах для них типичны составы [Be(NH3)4]2+ и [Mg(NH3)6]2+. Некоторые аммиакаты довольно устойчивы по отношению к нагреванию. Также известен гидразиновый комплекс [Be(N2H4)3]Cl2, в котором бериллий имеет необычное для него координационное число 6, и который разлагается водой.
Глава II. Значение комплексных соединений.
Комплексные соединения широко распространены
в природе. Они стоят на первом
месте среди огромного
2.1. Применение комплексных
соединений в аналитической
Комплексные соединения в настоящее
время являются объектами исследования
и применения в различных отраслях
химии. Наиболее глубоко они представлены
в аналитической химии. Явление
комплексообразования в ней используют
для растворения осадков, маскировки
отдельных ионов, для перевода ионов
металлов из одной жидкой фазы в
другую, для разделения электрометрических
эффектов близких по характеру ионов
металлов. Последнее достигается
целенаправленным подбором лигандов.
Однако наибольший эффект использования
комплексообразования дало применение
органических реагентов для аналитического
определения ионов отдельных
элементов. В настоящее время
работы в этом направлении составляют
большой раздел современной аналитической
химии. В связи с этим в аналитическую
химию привлечены химики-органики для
синтеза органических реагентов. Этим
оказана огромная услуга и координационной
химии, поскольку образующиеся соединения
ионов металлов с органическими
реагентами являются типичными координационными
соединениями. Остановимся на весьма
характерных координационных
2.2. Применение комплексных соединений в металлургии.
Химические методы извлечения металлов из руд также часто связаны с образованием КС. Например, для отделения золота от породы руду обрабатывают раствором цианида натрия в присутствии кислорода:
4Au + O2 + 8NaCN + 2H2O = 4Na[Au(CN)2] + 4NaOH
Из полученного раствора золото выделяют действием цинковых стружек:
2Na[Au(CN)2] + Zn = Na2[Zn(CN)4] + 2Au
Метод извлечения золота из руд с помощью растворов цианидов был предложен в 1843 г. русским инженером П. Багратионом.
Для получения чистых железа, никеля, кобальта используют термическое разложение карбонилов металлов. Эти соединения - летучие жидкости, легко разлагающиеся с выделением соответствующих металлов. Например, пентакарбонил железа [Fe(CO)5] - легколетучая жидкость, сильно преломляющая свет (T = -20 °С, T = 103 °С), тетракарбонил никеля [Ni(CO)4] - бесцветная жидкость (T = 19,3 °С, T = 43 °С).
[Fe(CO)5] (ж) Fe(т) + 5CO(г)
Железо образует несколько устойчивых цианидных комплексов, наиболее известны из которых: K4[Fe(CN)6] - гексацианоферрат (II) калия (желтая кровяная соль) и K3[Fe(CN)6] - гексацианоферрат (III) калия (красная кровяная соль). Интересно, что первый комплекс, содержащий ион железа Fe2+, является реактивом на ионы железа Fe3+ в растворе:
4Fe3+ + 3[Fe(CN)6]4- = Fe4[Fe(CN)6]3 или
Fe3+ + K+ + [Fe(CN)6]4- = KFe[Fe(CN)6]
Образующееся КС - гексацианоферрат (II) железа (III) интенсивно синего цвета носит название берлинской лазури. Его используют как краситель. Второе же соединение K3[Fe(CN)6] - является, в свою очередь, реактивом на обнаружение ионов Fe2+ в растворе:
3Fe2+ + 2[Fe(CN)6]3- = Fe3[Fe(CN)6]2 или
Fe2+ + K+ + [Fe(CN)6]3- = KFe[Fe(CN)6]
Образующийся гексацианоферрат (III) железа (II) также окрашен в ярко синий цвет. Его называют турнбуллевой синью.
Комплексные цианиды серебра (K[Ag(CN)2]) применяют для гальванического серебрения, так как при электролизе растворов обычных солей серебра не образуется плотно прилегающего слоя. В машиностроительной технологии широко используют K2[Ni(CN)4], из которого электролизом хорошо осаждается никель (процесс никелирования).
В фотографии процесс закрепления фотопленки проводят в растворе тиосульфата натрия (гипосульфита) - Na2S2O3, который растворяет неразложившийся бромид серебра с образованием комплексного соединения:
AgBr + Na2S2O3 = Na[Ag(S2O3)] + NaBr
Многие КС обладают каталитической
активностью, поэтому их широко используют
в неорганическом и органическом
синтезах. Таким образом, с использованием
комплексных соединений связана
возможность получения
2.3. Хлорофилл и гемоглобин.
Многие комплексные соединения,
содержащие полидентантные лиганды, являются
хелатами. Лиганды захватывают
К хелатным соединениям относятся такие важные для жизни вещества, как хлорофилл и гемоглобин. Структурные формулы этих веществ очень сложные, но схематично хлорофилл изображают так:
Хлорофилл - комплексное соединение
магния, придающее зеленый цвет листьям
растений. Ион магния связан в порфириновом
кольце с 4-мя атомами азота. При участии
зеленого вещества хлорофилла - осуществляется
процесс фотосинтеза: растения поглощают
солнечную энергию и
Суммарную реакцию фотосинтеза можно записать:
Без хлорофилла жизнь на Земле невозможна. В результате фотосинтеза ежегодно образуется около 10 ¹² кг. крахмала и выделяется в атмосферу примерно столько же кислорода.
Структура гемоглобина идентична, но комплексообразователем является железо.
Свободные ионы металлов в организме не существуют - это либо их гидраты, либо продукты гидролиза. В биохимических реакциях d-элементы наиболее часто проявляют себя как металлы - комплексообразователи. Лиганды - биологически активные вещества, органического характера или анионы неорганических кислот.
Заключение
Координационная химия (химия комплексных
соединений) длительное время считалась
одним из разделов неорганической химии;
объяснялось это тем, что большинство
известных ранее
Комплексные соединения имеют большое значение. Они имеют важное значение для живых организмов, так гемоглобин крови образует комплекс с кислородом для доставки его к клеткам, хлорофилл находящийся в растениях является комплексом. Также данные соединения находят широкое применение в различных отраслях промышленности.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ахметов Н. С.
Общая и неорганическая химия. — М.: Высшая школа, 2003. — 743 с.
2. Вернер А.
Новые воззрения в области
3. Гринберг А.А.
Введение в химию комплексных соединений. М.; Л.: Химия, 1966.
4. Киселев Ю. М.
Химия координационных соединений. — М.: Интеграл-Пресс, 2008. — 728 с.
5. Коттон Ф., Уилкинсон Дж.
Современная неорганическая химия. М.: Мир, 1969.
6. Кукушкин Ю.Н.
Химия координационных соединений. М.: Высшая школа, 1985.

- Комплексные соединения
- Комплексные соединения в пищевой промышленности
- Комплексные соединения, их биологическая роль. Порфириновые комплексы Fe и Mg
- Комплексные соединения трехвалентных элементов семейства железа
- Комплексные соединения. Химия
- Комплексные страховые продукты на российском рынке
- Комплексные территориальные кадастры природных ресурсов: опыт разработки и ведения
- Комплексные интегрированные системы
- Комплексные и целевые программы развития регионов
- Комплексные меры по защите информации
- Комплексные науки
- Комплексные показатели качества
- Комплексные показатели логистического сервиса
- Комплексные соединения