§ 14. Комплексные соединения

Определения и обозначения

Комплексное соединение — вещество, в котором атом или ион связан с несколькими другими частицами, образующими комплексную частицу. В отличие от соединения, состоящего только из простых ионов, здесь есть внутренняя группа связанных частиц — комплексообразователь и лиганды. Такое определение помогает не принимать всю формулу за набор отдельных ионов.

Комплексообразователь — центральный атом или ион комплексной частицы, к которому присоединяются лиганды. Он занимает центральное место в строении комплекса и образует связи с окружающими его частицами. Если найти комплексообразователь, легче понять устройство внутренней сферы и посчитать координационное число.

Лиганды — атомы, ионы или молекулы, связанные с комплексообразователем. Типичные примеры — молекулы воды H₂O и аммиака NH₃, а также ионы Cl⁻ и CN⁻. Лиганды записывают внутри квадратных скобок вместе с центральной частицей: именно их состав и количество определяют строение комплекса.

Координационное число показывает, сколько связей соединяет комплексообразователь с лигандами. Например, если к центральному иону присоединены четыре молекулы NH₃, его координационное число равно 4. Это число характеризует строение комплекса, а не электрический заряд центрального иона.

Как это устроено

Комплексообразователь может связывать сразу несколько лигандов, потому что его частицы способны образовывать с ними несколько связей. В школьном курсе достаточно представлять это так: лиганды располагаются вокруг центрального атома или иона и удерживаются рядом с ним. В результате возникает отдельная комплексная частица, а не просто случайная смесь компонентов. Число присоединённых лигандов связано с координационным числом.

В формуле внутреннюю сферу обычно заключают в квадратные скобки, например [Cu(NH₃)₄]²⁺. Внутри находятся комплексообразователь и лиганды, связанные с ним; всё вместе это комплексная частица. Ионы за скобками относятся к внешней сфере и уравновешивают заряд комплекса. Поэтому граница скобок помогает отличить связанные между собой частицы от ионов, которые не входят в комплекс.

Рассмотрим [Cu(NH₃)₄]SO₄. Внутри скобок находится Cu — комплексообразователь, а четыре молекулы NH₃ — лиганды; вместе они составляют внутреннюю сферу. Ион SO₄²⁻ записан за скобками и образует внешнюю сферу. Аммиак нейтрален, поэтому заряд комплекса определяется зарядом меди; для нейтрального соединения [Cu(NH₃)₄] должен иметь заряд +2.

Заряд комплексной частицы находят сложением зарядов комплексообразователя и всех лигандов. Каждый заряд учитывают столько раз, сколько частиц такого вида записано в скобках: для шести CN⁻ суммарный заряд лигандов равен −6. Если заряд центрального иона равен +3, заряд комплекса будет +3 + (−6) = −3. Проверить результат можно по общей формуле: внешние ионы должны компенсировать заряд комплексной частицы, чтобы всё соединение было нейтральным.

При растворении комплексного соединения в воде внешняя сфера может разделиться на свободные ионы. Внутренняя сфера обычно остаётся целой, потому что связи между комплексообразователем и лигандами сохраняются. Поэтому для K₃[Fe(CN)₆] записывают образование ионов K⁺ и комплексной частицы [Fe(CN)₆]³⁻, а не отдельных Fe³⁺ и CN⁻. Это различие важно при составлении уравнений диссоциации.

Строение и состав комплексных соединений

Чтобы разобрать формулу, сначала найдите квадратные скобки: они выделяют внутреннюю сферу. Затем определите центральную частицу и лиганды, а после этого рассмотрите ионы снаружи. По их количеству и зарядам можно проверить, нейтрально ли соединение.

Разбор задач

Задача 1. В формуле [Cu(NH₃)₄]SO₄ укажите комплексообразователь, лиганды, внутреннюю и внешнюю сферы.

1. Сначала ищем квадратные скобки: всё внутри них относится к внутренней сфере. В формуле это [Cu(NH₃)₄], а за скобками записан SO₄. Такая граница сразу разделяет комплексную частицу и внешнюю сферу.
2. Внутри скобок центральная частица — Cu, поэтому это комплексообразователь. К нему присоединены четыре молекулы NH₃; они являются лигандами. Поскольку аммиак не имеет заряда, его присутствие не меняет заряд комплекса.
3. Частица SO₄²⁻ за скобками относится к внешней сфере. Чтобы соединение в целом было нейтральным, комплексная частица должна иметь заряд +2. Ответ: комплексообразователь — Cu²⁺, лиганды — четыре NH₃, внутренняя сфера — [Cu(NH₃)₄]²⁺, внешняя — SO₄²⁻.

Задача 2. Определите заряд комплексной частицы в K₃[Fe(CN)₆], если заряд каждого лиганда CN равен −1.

1. Учитываем, что всё соединение нейтрально. В формуле есть три иона калия K⁺, их суммарный заряд равен +3. Значит, комплексная частица должна иметь заряд −3, чтобы уравновесить заряд внешней сферы.
2. Проверим это по составу внутренней сферы. В ней шесть лигандов CN⁻, каждый имеет заряд −1, поэтому их общий заряд равен −6. Чтобы заряд комплекса составил −3, заряд Fe должен быть +3: +3 + (−6) = −3.
3. Результат согласуется с зарядом трёх ионов калия: +3 + (−3) = 0. Следовательно, заряд комплексной частицы [Fe(CN)₆] равен −3. Ответ: [Fe(CN)₆]³⁻.

Задача 3. Запишите уравнение диссоциации в воде для K₃[Fe(CN)₆] и укажите, какие частицы образуются.

1. Сначала разделяем формулу на сферы. Три иона K⁺ находятся во внешней сфере, а [Fe(CN)₆]³⁻ — внутренняя комплексная частица. При растворении внешняя сфера отделяется, поэтому калий записываем как самостоятельные ионы.
2. Комплексную частицу при обычной диссоциации не раскладываем на Fe³⁺ и шесть CN⁻. Она сохраняется целой, а её заряд равен −3. Поэтому в правой части уравнения ставим именно [Fe(CN)₆]³⁻.
3. Записываем уравнение: K₃[Fe(CN)₆] → 3K⁺ + [Fe(CN)₆]³⁻. Проверка показывает, что число атомов и суммарный заряд сохраняются: справа +3 − 3 = 0. Ответ: образуются три иона K⁺ и один комплексный ион [Fe(CN)₆]³⁻.

Типичные ошибки

Ошибка: считать все частицы в формуле лигандами. Лиганды находятся только во внутренней сфере и записаны внутри квадратных скобок. Путаница возникает, когда формулу читают подряд, не замечая скобок. Проверьте себя: найдите границы скобок и отнесите частицы снаружи к внешней сфере.

Ошибка: путать заряд комплекса с зарядом всего соединения. Нейтральная формула может содержать заряженный комплексный ион, компенсированный внешними ионами. Ошибку допускают, если игнорируют их количество и заряд. Проверка: сложите заряды всех частиц формулы — для нейтрального вещества сумма должна быть равна нулю.

Ошибка: при диссоциации разрывать комплекс на комплексообразователь и лиганды. Обычно отделяется внешняя сфера, а внутренняя сохраняется единой частицей. Это смешивают с распадом обычных солей на ионы. Перед записью уравнения обозначьте скобками комплекс и переносите его целиком в правую часть.

Ошибка: принимать координационное число за заряд комплексообразователя. Координационное число — количество связей центральной частицы с лигандами, а заряд выражают знаком плюс или минус и числом. Путаница возникает потому, что оба значения связаны с комплексом. Проверьте себя: сосчитайте связанные лиганды для координационного числа, а заряд найдите сложением зарядов частиц.

Связь с другими темами

Для чтения формул комплексов нужны знания о строении атома и иона, зарядах и химической связи: они помогают определить центральную частицу и понять, какие взаимодействия связывают её с лигандами. Тема опирается и на диссоциацию электролитов, потому что при растворении комплексных веществ важно различать внутреннюю и внешнюю сферы. Эти знания пригодятся при составлении уравнений реакций и качественном анализе, когда по взаимодействию ионов распознают вещества.

Что запомнить

• Комплексообразователь — центральный атом или ион комплексной частицы.
• Лиганды связаны с комплексообразователем и образуют с ним внутреннюю сферу.
• Внутреннюю сферу записывают в квадратных скобках.
• Частицы за квадратными скобками составляют внешнюю сферу.
• Координационное число показывает число связей комплексообразователя с лигандами.
• При диссоциации внешняя сфера может отделяться, а комплексная частица сохраняется.