Координационное число и комплексообразователь
В комплексном соединении центр всей конструкции один: комплексообразователь. Вокруг него располагаются лиганды, и число связей металл-лиганд называют координационным числом. Без этих двух понятий трудно читать формулу в скобках, объяснять окраску комплекса и понимать, почему у серебра чаще два аммиака, а у железа шесть цианогрупп.
Ниже разобраны свойства комплексообразователя, смысл координационного числа, самые частые значения 2, 4 и 6, способ определить КЧ по формуле и связь с геометрией частицы. Состав комплекса и правила номенклатуры рассмотрены в предыдущей статье раздела.
Комплексообразователь центральный атом или ион, принимающий электронные пары лигандов. Координационное число (КЧ) число связей комплексообразователя с лигандами, то есть число донорных атомов, непосредственно связанных с центром. Для монодентатных лигандов КЧ совпадает с числом лигандов в скобках.
Роль комплексообразователя
Комплексообразователь обычно катион металла с вакантными орбиталями. Он выступает акцептором электронных пар. Чем выше заряд и меньше радиус иона, тем сильнее он притягивает лиганды и тем устойчивее часто получается комплекс. Поэтому Al3+, Fe3+, Cr3+, Cu2+ образуют комплексы охотнее, чем крупный слабозаряженный ион щелочного металла.
Переходные металлы особенно удобны как комплексообразователи: у них есть d-орбитали, переменные степени окисления и заметная склонность к координации. Но комплексы образуют и непереходные элементы. Классический школьный пример: [Al(OH)4]− и [Al(H2O)6]3+. Здесь комплексообразователь алюминий.
Степень окисления комплексообразователя нужно отличать от заряда всей комплексной частицы. В [Fe(CN)6]4− железо имеет степень окисления +2, а заряд аниона −4. В названии указывают именно степень окисления центра: феррат(II), а не «заряд скобок».
Что такое координационное число
Координационное число показывает, сколько донорных атомов связано с комплексообразователем. Если все лиганды монодентатны, КЧ равно числу лигандов. В [Cu(NH3)4]2+ четыре молекулы аммиака, КЧ меди равно 4. В [Fe(CN)6]3− шесть цианогрупп, КЧ железа равно 6.
Если лиганд полидентатный, считают не молекулы, а точки прикрепления. Этилендиамин занимает два координационных места. Для школьных задач такие случаи редки, но принцип важно помнить: КЧ это число связей с центром, а не всегда число формульных единиц лиганда.
Координационное число не равно числу атомов во внешней сфере и не равно индексу за скобками. В K4[Fe(CN)6] четыре калия относятся к внешней сфере. На КЧ железа влияет только то, что внутри скобок: шесть CN−.
Типичные значения КЧ
В школьном и начальном вузовском курсе чаще всего встречаются координационные числа 2, 4 и 6.
КЧ = 2 характерно для Ag+ и иногда Cu+. Пример: [Ag(NH3)2]+, [Ag(CN)2]−. Частица обычно линейна.
КЧ = 4 часто у Cu2+, Zn2+, а также у ряда комплексов никеля и других металлов. Примеры: [Cu(NH3)4]2+, [Zn(OH)4]2−, [CuCl4]2−. Геометрия может быть квадратной или тетраэдрической в зависимости от металла и лигандов.
КЧ = 6 самое распространённое для многих переходных металлов и алюминия. Примеры: [Fe(CN)6]4−, [Fe(CN)6]3−, [Fe(H2O)6]3+, [Al(H2O)6]3+, [Cr(H2O)6]3+. Геометрия обычно октаэдр: центр в середине, лиганды по вершинам.
Встречаются и другие значения, например 3 или 5, но в типовых контрольных их почти не требуют. Для решения задач достаточно уверенно узнавать 2, 4 и 6.
Как определить КЧ по формуле
Сначала найдите квадратные скобки. Всё, что внутри, относится к комплексу. Комплексообразователь обычно стоит первым: Fe, Cu, Ag, Zn, Al. Затем идут лиганды с индексами.
Сложите число монодентатных лигандов. В [Cu(NH3)4]SO4 внутри четыре NH3, КЧ(Cu) = 4. В Na2[Zn(OH)4] четыре OH−, КЧ(Zn) = 4. В K3[Fe(CN)6] шесть CN−, КЧ(Fe) = 6. Ионы за скобками в расчёт КЧ не входят.
Если в скобках разные лиганды, числа складывают. Для [Co(NH3)5Cl]Cl2 внутри пять аммиака и один хлорид, КЧ кобальта равно 6. Один хлорид в скобках лиганд, два хлорида снаружи внешняя сфера. Это частый экзаменационный приём: одинаковые по природе частицы могут быть и внутри, и снаружи.
Проверка здравым смыслом: КЧ обычно небольшое целое число из набора 2, 4, 6. Если получилось 8 калия или 3 сульфата, вы считаете не лиганды, а внешнюю сферу.
Связь КЧ с геометрией
Координационное число связано с пространственным строением комплекса. При КЧ = 2 лиганды располагаются напротив друг друга на одной линии. При КЧ = 4 возможны тетраэдр или плоский квадрат. При КЧ = 6 типичен октаэдр.
В школе геометрию часто называют без доказательства, но полезно помнить соответствие. [Ag(NH3)2]+ линеен. [Zn(OH)4]2− обычно рассматривают как тетраэдр. [Fe(CN)6]4− октаэдрический. Эти формы объясняют, почему число лигандов не бывает произвольным: вокруг центра есть удобные направления для связей.
Геометрия влияет на свойства. Плоские комплексы меди(II) и октаэдрические комплексы железа по-разному поглощают свет, поэтому окраска растворов различается. Для качественного анализа важнее сам факт образования комплекса и изменение цвета, но связь «КЧ → геометрия → окраска» помогает не воспринимать формулы как случайный набор индексов.
Примеры из школьного курса
[Ag(NH3)2]OH. Комплексообразователь Ag+, лиганды два NH3, КЧ = 2. Внешняя сфера OH−. Именно этот комплекс участвует в реакции серебряного зеркала.
[Cu(NH3)4](OH)2 или сульфат тетраамминмеди(II). Комплексообразователь Cu2+, КЧ = 4. Ярко-синяя окраска растворённого аммиаката меди связана с этим комплексом.
[Zn(OH)4]2−. Комплексообразователь Zn2+, КЧ = 4. Образуется при растворении гидроксида цинка в избытке щёлочи. Здесь КЧ помогает понять, почему пишут именно четыре гидроксогруппы.
[Fe(CN)6]4− и [Fe(CN)6]3−. В обоих случаях КЧ железа равно 6. Меняется степень окисления центра и заряд аниона, но число лигандов одинаково. Жёлтая и красная кровяные соли отличаются не координационным числом, а зарядом железа.
[Al(H2O)6]3+. Комплексообразователь Al3+, КЧ = 6. Пример того, что комплексообразователь не обязан быть переходным металлом.
Типичные ошибки
Первая ошибка: принимают за КЧ число ионов внешней сферы. В K4[Fe(CN)6] число 4 относится к калию, а КЧ железа равно 6.
Вторая ошибка: путают координационное число со степенью окисления. У железа в [Fe(CN)6]3− степень окисления +3, КЧ = 6. Это разные величины.
Третья ошибка: считают, что КЧ всегда равно заряду металла. Для Cu2+ КЧ часто 4, для Fe3+ часто 6. Прямого равенства нет.
Четвёртая ошибка: включают в КЧ атомы внутри лиганда. В CN− считают один лиганд, одну координационную связь через углерод, а не два атома C и N как два места.
Пятая ошибка: забывают, что одинаковый ион может быть и лигандом, и внешней сферой. В [Co(NH3)5Cl]Cl2 только один хлор входит в КЧ, два других нет.
Комплексообразователь центр комплекса, акцептор электронных пар. Координационное число число связей центра с лигандами. Для монодентатных лигандов КЧ читают по индексам внутри скобок. Самые частые значения: 2, 4, 6. Не путайте КЧ со степенью окисления металла и с числом ионов внешней сферы.