Алферова Динара Романовна, ученица 10 «А» класса Школы №176 с углубленным изучением отдельных предметов г.о. Самара
В современном мире ежедневно появляются новые открытия, делающие нашу жизнь удобнее. Особое внимание привлекают разнообразные варианты использования химических веществ, например, комплексных соединений. Эти вещества очень важны в биологических процессах, находят применение в аналитической практике, а также в производстве металлов и в множестве иных областей, однако в школьном курсе изучения предмета химии не уделяют этой теме много внимания, именно поэтому она становится всё более актуальной и необходимой для ознакомления.
Основная цель моей статьи – подробно изложить информацию о комплексных соединениях и указать сферы применения этих сложных веществ для усваивания материала широкой аудитории.
Ключевые слова: лиганды, центральный атом, катионы, анионы
Комплексные соединения – это вещества, в узлах кристаллической решётки которых находятся сложные частицы. Другими словами, соединения, получаемые сочетанием более простых веществ. Первые сведения о них появились в 1893 году. Швейцарский химик-неорганик Альфред Вернер предполагал: «есть особый вид соединений, которые напоминают собой некий комплекс». Как правило, они состоят из двух частей: внешней и внутренней сферы. Составляющие внутренней сферы записываются в квадратные скобки, туда входит центральный атом (ион-комплексообразователь), окруженный определенным количеством сопутствующих частиц, которые называются лиганды. Число лигандов – координационное число комплекса (от 2 до 12), в зависимости от этого числа форма молекулы может меняться. Различают монодентантные (унидентантные) лиганды – окружающие центральный атом в виде одного атома и бидентантные (полидентантные) лиганды – окружающие частицы, состоящие из нескольких атомов. Внешняя сфера комплексного соединения – это совокупность всех ионов, непосредственно не связанных с центральным атомом и находящихся за пределами внутренней сферы. Например, тетрагидроксоцинкат натрия можно представить таким образом: Na2[Zn(OH)4].
Комплексообразователями могут быть нейтральные атомы, анионы и катионы, имеющие орбитали, не заполненные электронами. Более способные к комплексообразованию катионы, образованные ионами переходных металлов. Например, железо, марганец, кобальт, медь, титан, цинк и др.
Классификация комплексных соединений:
· Комплексные соли (например, Na3[Fe(OH)6])
· Комплексные кислоты (например, H2[PbCl4])
· Комплексные основания (например, [Ag(NH3)2]OH)
Существуют катионные, анионные и нейтральные комплексы. На данные группы соединения можно разделить, основываясь на заряд комплексообразователя (исходя из заряда комплексного иона и заряда лигандов). Катионные комплексы образуются при координации вокруг положительного иона нейтральных молекул, анионные комплексы имеют отрицательный заряд, нейтральные – образуются в результате координации молекул вокруг нейтрального атома, при координации вокруг положительного иона-комплексообразователя отрицательных ионов и молекул.
Номенклатура
При названии комплексных соединений сначала указывают анион, затем – катион. При составлении названия комплексного катиона, порядок таков: начинают с числа отрицательно заряженных лигандов (греческие числительные: ди, три, тетра и т.д.), затем называют отрицательно заряженные лиганды с окончанием «о», число и название нейтральных лигандов, последним называют комплексообразователь с указанием его степени окисления. Например, [Cr(NH3)4СО3]Cl – хлорид карбонатотетраамминхрома (3+). Составляя название комплексного аниона, правила остаются прежними, в конце добавляют суффикс «ат». [Zn(OH)4]2 – тетрагидроксоцинкат-ион. Нейтральный комплекс называют так же, указывая комплексообразователь в именительном падеже, не уточняя степень окисления. [Ni(CO)4] — тетракарбонил никеля.
Физические свойства:
· Парамагнитные свойства
Парамагнитные комплексы при взаимодействии с внешним магнитным полем втягиваются в него. Диамагнитные комплексы, не имея собственного магнитного момента, выталкиваются из внешнего магнитного поля.
· Растворимость
Соединения легко растворяется в воде, спирте, эфире, ацетоне; нерастворимы в бензоле.
· Разложение
При нагревании с раствором щёлочи комплекс постепенно разлагается, выделяя аммиак и образуя гидроксид хрома.
Химические свойства:
· Диссоциация
Комплексные соединения ведут себя как сильные электролиты, полностью диссоциируют на катионы и анионы.
[Zn(NH3)4]2+ → Zn2+ + 4NH3
· Разрушение гидроксокомплексов при действии сильных кислот
Na3[Al(OH)6] + 6HCl = 3NaCl + AlCl3 + 6H2O
· Взаимодействие с оксидом углерода (IV)
Na[Al(OH)4] + CO2 = Al(OH)3 + NaHCO3
· Взаимодействие с кислотами
Na[Al(OH)4] + HCl = NaCl + Al(OH)3 + H2O
· Взаимодействие с солями
Na[Al(OH)4] + AlCl3 = 4Al(OH)3 + 3NaCl
· Окислительно-восстановительные реакции
K3[Fe3+(CN)6]3 + H2O2 + 2KOH = 2K4[Fe2+(CN)6]6 + O2 + 2H2O
Рассмотрим одно из химических свойств подробнее на конкретном примере:
Na[Al(OH)4] + HCl = NaCl + Al(OH)3 + 3H2O
Тетрагидроксоалюминат натрия взаимодействует с соляной кислотой, в результате чего образуется соль хлорид натрия, гидроксид алюминия, образующий студенистый осадок белого цвета, и вода.
При избытке соляной кислоты гидроксид алюминия переходит в хлорид алюминия, также выделяется вода.
Al(OH)3 + 3HCl = AlCl3 + 3H2O
Данные преобразования можно записать в одну реакцию:
Na[Al(OH)4] + 4HCl = NaCl + AlCl3 + 4H2O
Получение:
· Взаимодействие избытка раствора щёлочи с амфотерными оксиды, гидроксидами или их солями (гидроксокомплексы)
ZnO + 2NaOH + H2O → Na2[Zn(OH)4]
· Взаимодействие избытка раствора аммиака и оксидов, гидроксидов или солей меди или серебра (аммиакаты)
CuCl2+ 4NH3= [Cu(NH3)4]Cl2
· Взаимодействие водорастворимых солей, содержащих комплексообразователь, с водой (аквакомплексы)
MgSO4 + 6H2O → [Mg(H2O)6]SO4
· Взаимодействие водорастворимой соли комплексообразователя с избытком водорастворимого соединения, содержащего лиганд
AgNO3 + 2KNO2 = K[Ag(NO2)2] + KNO3
Рассмотрим вариант получения тетрагидроксоалюмината натрия экспериментальным путем
1. Подготовим необходимые реагенты. В нашем случае, основными реакционными компонентами являются алюмокалиевые квасцы (сульфат алюминия), раствор щелочи (гидроксид натрия).
2. Проведем первую реакцию взаимодействия сульфата алюминия и гидроксида натрия.
Al2(SO4)3 + 6KOH = 2Al(OH)3 + 3K2SO4
Продукты реакции сульфат калия и гидроксид алюминия. Реакция является качественной, так как в результате получаем осадок белого цвета.
3. Следующая реакция взаимодействие полученного гидроксида алюминия с раствором щелочи с образованием комплексного соединения.
Al(OH)3 + 3NaOH = Na[Al(OH)4]
Al2(SO4)3 + 8NaOH = 3Na2SO4 + 2Na[Al(OH)4]
Применение комплексных соединений:
· Медицина
Комплексные соединения используются в фармацевтике для создания лекарств, биодобавок и витаминов (например, сульфатиазол серебра используется как противомикробное средство)
Также комплексы металлов применяются в радиофармацевтике для диагностики и лечения онкологических заболеваний.
· Материаловедение
Производство красок, пигментов и красителей. Комплексы металлов придают материалам устойчивость к выцветанию и обеспечивают яркие цвета.
· Катализ
Комплексные соединения ускоряют реакции, снижая затраты энергии и повышая эффективность процессов (например, использование комплексов переходных металлов в синтезе полимеров и органических соединений).
· Аналитическая химия
Определение концентрации различных элементов (например, комплексы железа с тиоцианатом применяются для количественного анализа железа в растворах)
· Химические производства (например, алюминия и различных стекол)
· Сельское хозяйство (например, лечение растений от железного хлороза)
Список используемой литературы:
1. Берсукер, И.Б. Строение и свойства координационных соединений / И.Б. Берсукер.– Л.: Химия, 1971.– 247 с.
2. Большая Российская энциклопедия. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://bigenc.ru/c/kompleksnye-soedineniia-3addaf [28.11.2024]
3. Гринберг, А.А. Введение в химию комплексных соединений / А.А. Гринберг.– Л.: Химия, 1971.– 632 с.
4. Кукушкин Ю.Н. Химия координационных соединений. М.: Высшая школа, 1985.- 455 с.
5. Лекция №8 Комплексные соединения. Строение, классификация, природа химической связи. Применение в фармации и медицине. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://irkgmu.ru/src/downloads/6cc1d7ea_lektsiya_8.pdf [17.12.2024]
6. Семенов, Д. И. Комплексоны в биологии и медицине / Д.И.Семенов, И.П.Трегубенко. – Свердловск, 1984. – 280 с.