"Химия. Профильный уровень (в 2 частях)", Кузнецова Н.Е., Литвинова Т.Н., Лёвкин А.Н.
Комплексные соединения состоят из центрального атома или иона, связанных с ним лигандов и, часто, ионов внешней сферы. Центральная частица вместе с лигандами образует внутреннюю сферу, заключённую в квадратные скобки. Такая структура объясняет, почему при растворении соединение может распадаться на комплексный ион и внешние ионы, но не на атомы и лиганды. Разбирая заряды частиц, можно составлять формулы, находить степень окисления и называть комплексы.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Комплексное соединение — вещество, в котором центральный атом или ион связан с несколькими частицами-лигандами, а рядом могут находиться ионы внешней сферы. В отличие от обычного соединения, его состав удобно описывать через внутреннюю сферу с особым строением и отдельные внешние ионы. Это различие помогает понять, какие частицы сохраняются при растворении.
Комплексный ион — заряженная частица, состоящая из центрального атома или иона и связанных с ним лигандов. Его заряд может быть положительным, отрицательным или нулевым и не обязан совпадать со степенью окисления центрального атома. Понятие нужно, чтобы правильно составлять формулы и уравнения диссоциации.
Лиганд — атом, ион или молекула, непосредственно связанные с центральной частицей. Часто лигандами служат молекулы NH₃ и H₂O, а также ионы CN⁻, Cl⁻ и OH⁻. По лигандам определяют состав внутренней сферы и учитывают их заряд при расчётах.
Координационное число показывает количество донорных атомов лигандов, непосредственно окружающих центральный атом или ион. Донорный атом — атом лиганда, который образует связь с центральной частицей. Координационное число помогает описать строение комплекса; оно может не совпадать с числом молекул или ионов-лигандов.
В комплексном соединении центральная частица и непосредственно присоединённые к ней лиганды образуют внутреннюю сферу, которую записывают в квадратных скобках. Ионы вне скобок составляют внешнюю сферу. Такое разделение отражает различие связей: лиганды непосредственно координированы вокруг центральной частицы, а внешние ионы главным образом обеспечивают электрическую нейтральность вещества. Например, в K₄[Fe(CN)₆] внутренняя сфера — [Fe(CN)₆]⁴⁻, а внешняя — четыре K⁺.
Связь центральной частицы с лигандом возникает, когда лиганд предоставляет для неё электронную пару. Центральная частица принимает эту пару на свободную орбиталь, поэтому связь называют донорно-акцепторной: лиганд выступает донором, а центральная частица — акцептором. После образования связь рассматривают как химическую связь, удерживающую частицы во внутренней сфере. Этот механизм объясняет, почему молекула NH₃ может быть лигандом: у атома азота есть неподелённая электронная пара.
Чтобы найти заряд комплексного иона, складывают заряд центральной частицы и заряды всех лигандов. Если заряд соединения в целом равен нулю, его можно определить по зарядам внешних ионов: их суммарный заряд должен компенсироваться зарядом комплекса. Затем, обозначив степень окисления центрального атома буквой, составляют уравнение из зарядов частиц. Например, для [Fe(CN)₆]⁴⁻ получаем x + 6·(−1) = −4, откуда степень окисления Fe равна +2.
Формула показывает границы внутренней сферы квадратными скобками, а число лигандов — индексами внутри них. Заряд комплексного иона и заряды внешних ионов должны давать в сумме ноль для нейтрального соединения. При названии сначала указывают лиганды с приставками, отражающими их количество, затем называют центральный атом и его степень окисления римской цифрой в скобках. Например, [Cu(NH₃)₄]SO₄ называют тетраамминмедь(II) сульфатом: четыре лиганда NH₃ — аммин, а центральная частица — медь со степенью окисления +2.
В воде ионы внешней сферы могут отделяться от внутренней сферы, потому что при растворении ослабевает их взаимодействие с комплексным ионом. В обычном уравнении электролитической диссоциации комплексная частица записывается целиком: связи между центральным атомом и лигандами при этом не разрывают. Поэтому [Cu(NH₃)₄]SO₄ даёт комплексный ион [Cu(NH₃)₄]²⁺ и SO₄²⁻, а не отдельные ионы Cu²⁺ и молекулы NH₃. Такое описание относится именно к обычной диссоциации, а не ко всем возможным химическим реакциям комплекса.
| Часть или характеристика | Что показывает | Пример для K₄[Fe(CN)₆] |
|---|---|---|
| Центральный атом | Частицу, с которой непосредственно связаны лиганды | Fe |
| Лиганды | Частицы, связанные с центральным атомом | Шесть CN⁻ |
| Внутренняя сфера | Центральную частицу вместе со всеми лигандами | [Fe(CN)₆]⁴⁻ |
| Внешняя сфера | Ионы вне квадратных скобок, компенсирующие заряд внутренней сферы | Четыре K⁺ |
| Координационное число | Количество связанных с центральным атомом донорных атомов | 6 |
| Заряд комплексного иона | Суммарный заряд внутренней сферы | −4 |
Сначала найдите квадратные скобки: они показывают внутреннюю сферу, а частицы за ними относятся к внешней. Затем посчитайте лиганды и определите заряд каждой частицы, чтобы проверить общий заряд формулы. Для координационного числа считайте донорные атомы, а не только группы лигандов.
Условие. Для K₄[Fe(CN)₆] определите заряд комплексного иона и степень окисления железа. Ион K⁺ имеет заряд +1, а каждый лиганд CN⁻ — заряд −1. Учитывайте, что всё соединение электронейтрально.
Ответ: заряд комплексного иона [Fe(CN)₆]⁴⁻ равен −4, степень окисления Fe — +2. Заряд иона −4 не следует путать со степенью окисления железа, поскольку в заряд комплекса входят также заряды лигандов. Равенство зарядов всех частиц сумме ноль служит проверкой.
Условие. Составьте формулу соединения с ионом Co³⁺, шестью молекулами NH₃ во внутренней сфере и тремя ионами Cl⁻ во внешней сфере. Аммиак NH₃ — нейтральный лиганд, поэтому он не изменяет суммарный заряд центральной частицы. Ионы хлорида записывают за квадратными скобками.
Ответ: [Co(NH₃)₆]Cl₃. Координационное число в этой формуле равно 6, поскольку шесть атомов азота лигандов непосредственно связаны с кобальтом. Здесь число лигандов совпадает с координационным числом.
Условие. Назовите соединение [Cu(NH₃)₄]SO₄ и запишите его диссоциацию в воде. Сульфат-ион SO₄²⁻ находится вне квадратных скобок и имеет заряд −2. Следовательно, внутренней сфере требуется заряд +2, а NH₃ как нейтральный лиганд на него не влияет.
Ответ: тетраамминмедь(II) сульфат; [Cu(NH₃)₄]SO₄ → [Cu(NH₃)₄]²⁺ + SO₄²⁻. В продукте диссоциации комплекс остаётся единым ионом. Разделение его на Cu²⁺ и NH₃ не соответствует обычной записи электролитической диссоциации.
Считать все частицы в формуле лигандами — ошибка: лиганды входят во внутреннюю сферу и стоят внутри квадратных скобок, а частицы снаружи образуют внешнюю сферу. Путаница возникает потому, что и те и другие изображены в одной формуле. Проверьте себя: сначала найдите скобки и классифицируйте частицы по их положению.
Заряд комплексного иона не равен автоматически степени окисления центрального атома. Это неверное равенство забывает о зарядах лигандов, которые могут быть отрицательными или нейтральными. Для проверки сложите заряд центральной частицы и заряды всех лигандов.
Координационное число иногда ошибочно считают по количеству лигандов. Так поступают, если не учитывают, что один лиганд может связываться через несколько донорных атомов. Проверьте число непосредственно связанных с центральной частицей донорных атомов: именно оно определяет координационное число.
При записи обычной диссоциации нельзя разделять комплексный ион на центральный атом и лиганды. Ошибка появляется, когда формулу мысленно разбирают как набор отдельных частиц, игнорируя устойчивую внутреннюю сферу. Сверьте запись с квадратными скобками: комплексный ион должен остаться целым, а отделяются от него ионы внешней сферы.
Для изучения комплексов понадобятся знания о строении атома, ионов и электронных оболочек: они помогают понять, откуда берётся электронная пара для связи. Степени окисления, заряды ионов и электронейтральность нужны, чтобы находить состав и заряд комплексных частиц. Уравнения электролитической диссоциации позволяют описывать поведение комплексов в воде.
Комплексные соединения важны при изучении свойств переходных металлов, качественных реакций и аналитической химии. Образование комплексов может служить признаком присутствия определённых ионов, а их состав и свойства используют для анализа веществ. Поэтому умение читать формулы помогает объяснять наблюдения в химических реакциях.
Чем комплексный ион отличается от комплексного соединения?
Комплексный ион — заряженная частица из центрального атома или иона и связанных с ним лигандов. Комплексное соединение — всё вещество: комплексный ион вместе с частицами внешней сферы, если они есть.
Как определить заряд комплексного иона по формуле?
Сначала учитывают, что суммарный заряд нейтрального вещества равен нулю. Заряды ионов внешней сферы дают заряд комплексного иона с противоположным знаком. Например, в K₄[Fe(CN)₆] четыре иона K⁺ указывают, что заряд комплекса равен −4.
Как найти степень окисления центрального атома?
Запишите заряд комплексного иона как сумму степени окисления центрального атома и зарядов всех лигандов. Затем решите уравнение относительно степени окисления. Для нейтральных лигандов их вклад равен нулю.
Почему координационное число не всегда равно числу лигандов?
Координационное число показывает, сколько донорных атомов непосредственно связано с центральной частицей. Один лиганд может присоединяться через два или более атома, поэтому лигандов может быть меньше, чем связей с центральным атомом.
На какие частицы распадается комплексное соединение в растворе?
При обычной диссоциации комплекс отделяется от ионов внешней сферы. Внутренняя сфера при этом сохраняется как единый комплексный ион, а не распадается на центральную частицу и лиганды.
§ 11. Комплексные соединения
