Комплексные соединения: состав и номенклатура
Комплексные соединения выглядят сложнее обычных солей: в формуле есть квадратные скобки, внутри них металл и несколько частиц рядом с ним. На деле устройство регулярно: есть центральный ион, вокруг него лиганды, а снаружи ионы, которые уравновешивают заряд. Если понять эту схему, и состав, и название читаются по одним и тем же правилам.
Ниже разобраны состав комплексного соединения, роли комплексообразователя и лигандов, внутренняя и внешняя сфера, расчёт заряда и школьная номенклатура. Координационное число и свойства комплексообразователя подробнее рассмотрены в следующей статье раздела.
Комплексное соединение состоит из комплексной частицы и внешней сферы. Комплексная частица включает комплексообразователь и лиганды и записывается в квадратных скобках. Пример: K4[Fe(CN)6]. Здесь [Fe(CN)6]4− внутренняя сфера, ионы K+ внешняя сфера.
Что такое комплексное соединение
Комплексное соединение это вещество, в котором есть комплексная частица: центральный атом или ион связан с несколькими лигандами донорно-акцепторными связями. Лиганд отдаёт электронную пару, комплексообразователь её принимает. В результате образуется устойчивая группировка, которая в растворе часто ведёт себя как одна частица.
Простые примеры из школьного курса: [Cu(NH3)4]SO4, K3[Fe(CN)6], Na2[Zn(OH)4], [Ag(NH3)2]OH. Многие «обычные» гидратированные ионы тоже можно рассматривать как комплексы: [Cu(H2O)4]2+ или [Fe(H2O)6]3+. В задачах акваформы иногда пишут упрощённо как Cu2+, но по смыслу вода уже координирована.
Комплексы важны не только для теории. На комплексообразовании основаны растворение осадков в аммиаке, качественные реакции на катионы, получение окрашенных индикаторных форм и многие процессы в биохимии, где металл удерживается белковыми лигандами.
Комплексообразователь и лиганды
Комплексообразователь это центральный атом или ион, обычно металл, чаще переходный. Он принимает электронные пары лигандов. Типичные комплексообразователи школьного курса: Cu2+, Fe2+, Fe3+, Ag+, Zn2+, Al3+, Cr3+.
Лиганды это молекулы или ионы, связанные с комплексообразователем. Они должны иметь неподелённую электронную пару. Частые лиганды: H2O, NH3, OH−, Cl−, CN−, F−, SCN−. Нейтральные лиганды не меняют заряд сами по себе так, как ионные: вода и аммиак нейтральны, хлорид и цианид заряжены отрицательно.
Лиганды бывают монодентатными и полидентатными. Монодентатный лиганд занимает одно координационное место, например NH3 или Cl−. Полидентатный лиганд связывается несколькими атомами сразу. В школьном курсе чаще встречаются монодентатные лиганды, а этилендиамин и другие хелаты появляются в углублённых темах.
Внутренняя и внешняя сфера
Внутренняя сфера включает комплексообразователь и все лиганды. Её записывают в квадратных скобках: [Fe(CN)6], [Cu(NH3)4], [Zn(OH)4]. Частицы внутренней сферы связаны сравнительно прочно и в растворе часто диссоциируют слабо или ступенчато.
Внешняя сфера это ионы за скобками. Они уравновешивают заряд комплексной частицы и в растворе обычно легко отщепляются. В K4[Fe(CN)6] внешняя сфера четыре иона калия. В [Cu(NH3)4]SO4 внешняя сфера сульфат-ион.
Отсюда практический приём. Ионы внешней сферы дают обычные качественные реакции почти сразу. Ионы из внутренней сферы «заперты» в комплексе и могут не проявлять типичных реакций свободного иона. Например, в растворе K4[Fe(CN)6] нет свободного Fe2+ в заметном количестве, поэтому роданид на железо(II) в привычном виде не сработает так, как на простой соли железа.
Заряд комплексной частицы
Заряд комплекса равен сумме заряда комплексообразователя и зарядов всех лигандов. Нейтральные лиганды вклад в заряд не дают. Для [Cu(NH3)4]2+: медь +2, четыре NH3 нейтральны, заряд комплекса +2. Для [Fe(CN)6]4−: железо +2, шесть CN− дают −6, итог −4. Для [Fe(CN)6]3−: железо уже +3, итог −3.
Если известна формула всего соединения, заряд внутренней сферы можно найти по внешней. В K3[Fe(CN)6] три иона K+ дают суммарно +3, значит комплексный анион имеет заряд −3. В [Ag(NH3)2]Cl внешний хлорид −1, значит комплексный катион имеет заряд +1.
Этот расчёт нужен и для номенклатуры, и для уравнений диссоциации. Сначала определяют заряд комплексной частицы, затем записывают, на какие ионы распадается соединение во внешней сфере.
Правила номенклатуры
В русском школьном варианте название строят так. Сначала называют лиганды, затем комплексообразователь с указанием степени окисления римскими цифрами в скобках. Для анионных комплексов к названию металла часто добавляют суффикс -ат. Число лигандов обозначают греческими приставками: моно-, ди-, три-, тетра-, пента-, гекса-.
Названия распространённых лигандов нужно помнить. H2O аква, NH3 аммин, OH− гидроксо, Cl− хлоро, CN− циано, F− фторо, SO42− сульфато. Важно писать именно «аммин» с двумя «м», чтобы не путать с органическим амином.
Порядок лигандов в названии в школьных задачах обычно идёт от отрицательных к нейтральным или по принятому в учебнике списку. Главное не перепутать число лигандов и степень окисления металла. Если комплекс катионный, название металла берут в обычной форме: медь, железо, серебро. Если анионный, чаще говорят феррат, купрат, цинкат, аргентат в зависимости от элемента и традиции учебника.
Внешнюю сферу называют как в обычной соли. Для K4[Fe(CN)6] сначала комплексный анион, затем катионы калия в составе названия соли: гексацианоферрат(II) калия. Для [Cu(NH3)4]SO4: сульфат тетраамминмеди(II).
Примеры названий
[Cu(NH3)4]SO4 сульфат тетраамминмеди(II). Внутри скобок медь(II) и четыре аммина, снаружи сульфат.
[Ag(NH3)2]OH гидроксид диамминсеребра(I). Именно этот комплекс связан с реакцией серебряного зеркала в органической химии.
K4[Fe(CN)6] гексацианоферрат(II) калия, жёлтая кровяная соль. Железо в степени окисления +2, шесть циано-лигандов, заряд комплекса −4, четыре калия снаружи.
K3[Fe(CN)6] гексацианоферрат(III) калия, красная кровяная соль. От предыдущего отличается только степенью окисления железа и числом ионов калия.
Na2[Zn(OH)4] тетрагидроксоцинкат натрия. Пример гидроксокомплекса, который возникает при растворении Zn(OH)2 в избытке щёлочи.
[Al(H2O)6]Cl3 хлорид гексаакваалюминия(III). Показывает, что даже соли алюминия в растворе удобно описывать как аквакомплексы.
При чтении названия идите в обратном порядке. Найдите комплексообразователь и его степень окисления, по приставкам восстановите число лигандов, по заряду внешней сферы проверьте заряд скобок, затем соберите формулу.
Типичные ошибки
Первая ошибка: путают аммин и амин. В неорганической номенклатуре лиганда NH3 пишут «аммин». «Амин» относится к органическим производным аммиака.
Вторая ошибка: неправильно считают заряд. Забывают, что CN− и OH− заряжены, а NH3 и H2O нет. Тогда степень окисления металла в названии получается неверной.
Третья ошибка: включают ионы внешней сферы внутрь скобок или наоборот. Скобки обозначают только внутреннюю сферу. Калий в K4[Fe(CN)6] не лиганд железа в этой записи.
Четвёртая ошибка: путают феррат(II) и феррат(III). Разница между жёлтой и красной кровяной солью именно в степени окисления железа. От неё зависят и заряд аниона, и число катионов калия.
Пятая ошибка: называют число лигандов словом без приставки. Нужны тетра-, гекса- и другие греческие приставки. «Амминмедь» без «тетра» для [Cu(NH3)4]2+ недостаточно.
Комплекс состоит из комплексообразователя, лигандов и внешней сферы. Скобки выделяют внутреннюю сферу. Заряд комплекса равен сумме зарядов центра и лигандов. В названии указывают лиганды с приставками числа, металл и его степень окисления, затем внешнюю сферу. Сначала научитесь читать формулу по частям, затем собирать название и обратно.