Комплексные соединения

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:

1. 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.

1. 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).

1. 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.

Вопросы с занятий и экзамена

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

Другие темы раздела «Глава 3. Классификация веществ»

Материал подготовлен преподавателями Школы Сеченова по учебной программе медицинских вузов. Носит образовательный характер.