Комплексные соединения. 
Химия

Интересной разновидностью химических веществ являются комплексные соединения, выделяемые в особый тип не по составу или свойствам, а по структуре. По свойствам комплексные соединения делятся на те же классы, что и обычные неорганические соединения, — кислоты, основания, соли. Комплексные соединения, как правило, образуются из сложных веществ. Наиболее известными комплексными соединениями являются красная кровяная соль K₃[Fe (CN)₆] и желтая кровяная соль K₄[Fe (CN)₆]. В настоящее время получено огромное число новых комплексных соединений; кроме того, комплексными оказались многие хорошо известные вещества — кристаллогидраты солей, гемоглобин и др. Основы современной науки о комплексных соединениях были заложены швейцарским химиком А. Вернером в созданной им координационной теории (1893 г.).

Латинское слово complexus означает соединение чего-либо в единое целое. Однако образование из сложных веществ не является признаком одних только комплексных соединений. Кислородсодержащие кислоты, основания и соли также образуются соединением сложных веществ. Главный признак комплексного соединения заключается в том, что при его образовании в веществе появляется центральный атом, координационное число которого превышает валентность. Такое явление нам уже знакомо на примере хлорида натрия, в котором одновалентный натрий окружен шестью атомами хлора. В красной кровяной соли трехвалентное железо образует связи с шестью группами CN-. Если реакция соединения приводит к продукту, в котором имеется центральный атом с координационным числом, превышающим валентность, то этот продукт и есть комплексное соединение. Не сразу улавливаемое неформальное различие между обычной солью NaCl и комплексной солью K₃[Fe (CN)₆] состоит в том, что в хлориде натрия на каждый атом натрия приходится один атом хлора, а в красной кровяной соли на каждый атом железа приходится шесть групп CN Таким образом, в комплексном соединении координационное число не только превышает валентность, но и все атомы, связанные с центральным атомом, находятся в одной структурной единице.

Комплексные соединения — это вещества, в структурных единицах которых число атомов, связанных с центральным атомом, превышает его валентность.

Рассмотрим структурные формулы нескольких веществ, которые помогут лучше уяснить понятие центрального атома и научиться отличать комплексные соединения от некомплексных:

Структурная формула соли K₃[Fe (CN)₆] показывает связи железа с шестью атомами углерода, имеющимися в структурной единице вещества. Это комплексное соединение. Из структурной формулы хлорида железа (III) очевидно, что координационное число железа равно шести, а валентность — трем, но в структурной единице вещества не шесть, а лишь три атома хлора, и это вещество не является комплексным соединением. Структурная формула комплекса сульфата меди с аммиаком подтверждает наличие всех признаков, отличающих комплексное соединение. Из структурной формулы серной кислоты очевидно, что сера служит центральным атомом в этой молекуле, но это не комплексное соединение, так как координационное число четыре меньше валентности серы, равной шести.

Структурные формулы показывают наличие координации определенных атомов или атомных групп вокруг центрального атома. Комплексные соединения часто называют координационными.

Как показывают обычные и структурные формулы, комплексное соединение состоит из комплексной и некомплексной частей. Комплексная часть соединения, заключенная в квадратные скобки, называется внутренней сферой, некомплексная часть за скобками — внешней сферой. Комплексные соединения, имеющие внешнюю сферу, образуют ионные кристаллические структуры. Частицы внешней сферы встречаются в обычных солях и кислотах. В одних случаях это ионы металлов, в других — анионы кислот. Комплексное соединение не имеет внешней сферы, если комплексная частица электрически не заряжена. Комплексные соединения без внешней сферы образуют молекулярные кристаллические структуры. В растворах комплексные соединения полностью диссоциируют на комплексный ион и ионы внешней сферы. Эти ионы участвуют в реакциях обмена.

Пример 2.1.

К сине-фиолетовому раствору аммиачного комплексного соединения сульфата меди с аммиаком добавляют раствор хлорида бария ВаС1₂. Появляется оседающий на дно нерастворимый сульфат бария:

Окраска раствора не изменяется; это указывает на неизменность внутренней сферы комплексного соединения.

Внутренняя сфера комплексного соединения содержит центральный атом и связанные с ним одноатомные или многоатомные частицы, называемые лигандами. Центральным атомом чаще всего бывает металл. Одноатомными лигандами могут быть галогены, водород, кислород. Многоатомные лиганды — это молекулы воды, аммиака, разные органические молекулы, а также остатки кислот. Важной характеристикой комплексного соединения является координационное число центрального атома, т. е. число атомов, связанных с центральным атомом химическими связями. Наиболее часто встречаются координационные числа 4 и 6, реже 2, 3, 8 и др. Шесть лигандов размещаются вокруг центрального атома по вершинам воображаемого октаэдра, четыре лиганда — по вершинам тетраэдра или по углам квадрата (рис. 2.9). Связи между центральным атомом и лигандами образуются по донорно-акцепторному механизму. Центральный атом действует как акцептор электронных пар, а лиганды — как доноры электронных пар. Примеры комплексных соединений с разными координационными числами представлены в табл. 2.1.

Наиболее характерным химическим свойством комплексных соединений являются реакции замещения лигандов.

Рис. 2.9. Типичные варианты размещения лигандов вокруг центрального атома в комплексных соединениях

Так, в комплексных соединениях платины хлор замещается на аммиак. Из красного раствора тетрахлороплатината (Н) калия постепенно осаждается желтое вещество дихлородиамминплатина:

Для комплексных соединений принята специальная номенклатура. Названия обычно состоят из двух слов, обозначающих внутреннюю и внешнюю сферу. Для внутренней сферы указывают число частиц лиганда, название лиганда; центральный атом, его валентность (римской цифрой).

Примеры комплексных соединений

Если в формуле комплексного соединения на первом месте стоит атом металла внешней сферы, то название внутренней сферы имеет окончание «-ат». Для комплексных соединений этого типа используют латинские названия центральных атомов, соответствующие символам химических элементов: Na[CuCl₂] —дихлорокупрат (Г) натрия.

Если в формуле на первом месте стоит внутренняя сфера, то ее название ставят после названия внешней сферы. В этих комплексных соединениях центральные атомы обозначают русскими названиями химических элементов: [Cu (NH₃)₄]S0₄ — сульфат тетраамминмеди (Н).

Названия комплексных соединений, не имеющих внешней сферы, пишут в одно слово без указания валентности центрального атома: [Co (NH₃)₃(N0₂)₃] — триамминтринитрокобальт.

Комплексные соединения встречаются в природе в виде минералов. Они необходимы для жизнедеятельности растений и животных, применяются в качестве лекарств, красителей и т. д.

Вопросы и задания

• 1. Какие соединения называют комплексными?
• 2. Перечислите признаки комплексного соединения.
• 3. Какую роль играют отдельные атомы в комплексном соединении и как это отражается в формулах?
• 4. Укажите центральные атомы, лиганды и ионы внешней сферы в соединениях [Cu (NH₃)₄]C1₂, K₃[Fe (CN)₆],
• 5. Назовите комплексные соединения [Zn (NH₃)₄](N0₃)2 и [Сг (Н₂0)₆]С1₃ согласно международной номенклатуре (вода во внутренней сфере комплексного соединения имеет название «аква»).