Комплексные соединения. (Дополнительный материал к главе 3)

Определения и обозначения

Комплексное соединение — соединение, содержащее комплексную частицу. В формуле её обычно узнают по квадратным скобкам: например, в [Ag(NH₃)₂]Cl комплексная частица записана как [Ag(NH₃)₂]⁺. Такое обозначение помогает отделить целый комплекс от ионов, которые уравновешивают его заряд.

Комплексная частица — центральный атом или ион вместе с непосредственно связанными с ним лигандами. Она может быть нейтральной или иметь заряд, который записывают у квадратных скобок. Выделение этой частицы нужно, чтобы не путать её состав с остальной частью соединения.

Центральный атом (ион) — частица в центре комплекса, с которой связаны лиганды. Обычно эту роль выполняет атом или катион металла, например Ag⁺ или Cu²⁺. Определив центральный ион, можно начать расчёт заряда всего комплекса.

Лиганд — атом, ион или молекула, связанная с центральной частицей. Типичные лиганды — NH₃, H₂O, Cl⁻ и CN⁻; их заряды бывают нулевыми или отрицательными. По составу лигандов находят заряд комплекса и его координационное число.

Как это устроено

Квадратные скобки в записи комплекса обычно ограничивают внутреннюю координационную сферу: в ней находятся центральный ион и непосредственно связанные с ним лиганды. Ионы за скобками относятся к внешней сфере и нужны, чтобы суммарный заряд соединения был равен нулю. Например, в [Cu(NH₃)₄]SO₄ сульфат-ион стоит вне скобок, а молекулы NH₃ включены внутрь. Поэтому граница скобок помогает понять, какие частицы образуют комплекс, а какие лишь уравновешивают его заряд.

Лиганды удерживаются около центрального иона химическими связями, поэтому комплексную частицу рассматривают как единое целое. Число связей центрального атома или иона с лигандами называют координационным числом. Оно не всегда совпадает с числом лигандов: если лиганд связывается с центральным ионом сразу в нескольких местах, он занимает несколько координационных мест. В простых примерах с NH₃ каждый лиганд образует одну такую связь, поэтому в [Cu(NH₃)₄]²⁺ координационное число равно четырём.

Заряд комплексной частицы находят сложением зарядов центрального иона и всех лигандов, учитывая количество каждого из них. Например, у Cu²⁺ заряд +2, а NH₃ нейтрален, поэтому [Cu(NH₃)₄]²⁺ имеет заряд +2. Затем по нейтральности всего соединения можно определить заряд внешних ионов: в [Cu(NH₃)₄]SO₄ сульфат-ион имеет заряд −2 и уравновешивает комплексный катион. Такой порядок расчёта не позволяет ошибочно приписать комплексу заряд только центрального иона.

При растворении соли ионы внешней сферы могут отделяться от комплексной частицы, потому что связь между ними не означает разрушения самого комплекса. Поэтому для [Cu(NH₃)₄]SO₄ записывают образование [Cu(NH₃)₄]²⁺ и SO₄²⁻, а не распад комплекса на Cu²⁺ и NH₃. Комплексная частица в обычной записи диссоциации остаётся целой. Это позволяет предсказать, какие ионы присутствуют в растворе и участвуют в ионных реакциях.

Состав внутренней сферы задаёт запись комплексной частицы, а заряды её частей помогают подобрать внешние ионы и составить формулу нейтрального соединения. Например, заряд [Ag(NH₃)₂]⁺ равен +1, поэтому для нейтральной соли с ним достаточно одного Cl⁻: [Ag(NH₃)₂]Cl. В названии соединения отражают лиганды и центральный атом или ион; точная форма названия зависит от принятой номенклатуры. Разбор скобок, состава и зарядов служит основой и для составления формул, и для их чтения.

Состав и характеристики комплексных соединений

Сравните формулы по квадратным скобкам: они показывают, какие частицы относятся к комплексу. Заряд комплексной частицы можно проверить, сложив заряды центрального иона и лигандов; заряд внешней сферы должен уравновесить его. При диссоциации ориентируйтесь на внешние ионы, сохраняя комплекс внутри скобок.

Разбор задач

Задача 1. Для [Ag(NH₃)₂]Cl укажите комплексную частицу, центральный ион, лиганды и внешнюю сферу. Начните с квадратных скобок: именно они отделяют внутреннюю сферу от внешних компонентов. Затем прочитайте состав каждой части формулы.

1. В квадратных скобках находится [Ag(NH₃)₂] — комплексная частица.
2. В центре частицы записан ион Ag⁺; две молекулы NH₃ — лиганды.
3. За скобками стоит Cl⁻, поэтому он относится к внешней сфере и компенсирует заряд комплекса.

Ответ: комплексная частица — [Ag(NH₃)₂]⁺, центральный ион — Ag⁺, лиганды — две молекулы NH₃, внешняя сфера — Cl⁻. Заряд комплекса +1, поскольку NH₃ нейтральны.

Задача 2. Определите степень окисления Fe и заряд комплексной частицы в K₃[Fe(CN)₆]. Соединение в целом нейтрально, а три внешних иона K⁺ дают суммарный заряд +3. Следовательно, комплексная частица должна иметь заряд −3.

1. Пусть степень окисления Fe равна x, а заряд каждого лиганда CN⁻ равен −1.
2. Для частицы [Fe(CN)₆] запишем сумму зарядов: x + 6 · (−1) = −3.
3. Тогда x − 6 = −3, откуда x = +3; это степень окисления железа.

Ответ: заряд комплексной частицы [Fe(CN)₆]³⁻ равен −3, степень окисления Fe — +3. Проверка: заряд комплекса −3 уравновешивают три K⁺ с суммарным зарядом +3.

Задача 3. Запишите диссоциацию в воде для [Cu(NH₃)₄]SO₄ и укажите образующиеся ионы. Сначала разделите внутреннюю и внешнюю сферы, затем проверьте их заряды. Сульфат-ион отделяется, а комплексная частица сохраняется.

1. Заряд SO₄ равен −2, поэтому комплексная частица имеет заряд +2.
2. При диссоциации соль даёт один комплексный катион и один сульфат-ион.
3. Запишите уравнение: [Cu(NH₃)₄]SO₄ → [Cu(NH₃)₄]²⁺ + SO₄²⁻.

Ответ: образуются ионы [Cu(NH₃)₄]²⁺ и SO₄²⁻. Их суммарный заряд равен нулю, как и заряд исходного соединения.

Типичные ошибки

Ошибка — считать лигандами все частицы в формуле, включая те, что стоят вне квадратных скобок. Её допускают, если читают формулу подряд и не разделяют сферы. Проверьте себя: лиганд должен находиться внутри скобок и быть непосредственно связанным с центральным ионом.

Ошибка — автоматически считать число лигандов координационным числом. В простых примерах это может совпасть, поэтому разницу легко упустить; однако многозубый лиганд связывается с центральной частицей в нескольких местах. Проверяйте строение комплекса и считайте места координации, а не только отдельные молекулы или ионы.

Ошибка — находить заряд комплекса только по заряду центрального иона. Так делают, когда забывают, что заряды лигандов тоже входят в сумму. Проверьте расчёт отдельно для каждой частицы: умножьте заряд лиганда на его количество и сложите результат с зарядом центрального иона.

Ошибка — при диссоциации разделять комплекс на центральный ион и лиганды. Её провоцирует привычка расписывать растворимую соль на все составляющие. В обычной записи отделяйте только внешнесферные ионы, а комплексную частицу оставляйте целой; затем проверьте сохранение состава и общего заряда.

Связь с другими темами

Для изучения комплексов нужны знания о строении атома, степенях окисления, ионной связи и составлении формул по зарядам. С электролитической диссоциацией тема связана через состав раствора: строение комплекса показывает, какие частицы отделяются при растворении и могут участвовать в ионных реакциях. Эти представления помогают разбирать свойства ионов металлов, качественные реакции и химию переходных элементов.

Что запомнить

• Комплексная частица состоит из центрального атома или иона и связанных с ним лигандов.
• Квадратные скобки обычно обозначают внутреннюю координационную сферу.
• Лигандами могут быть молекулы и ионы.
• Координационное число характеризует число связей центральной частицы с лигандами.
• Заряд комплексной частицы равен сумме зарядов центрального иона и лигандов.
• При диссоциации внешнесферные ионы отделяются, а комплексная частица обычно сохраняется.