
Природа химической связи в комплексных соединениях
Координационная теория А. Вернера (1898-1903)
1. Внутренняя координационная сфера [ ]: центральный атом соединен с лигандами дативными связями.
Внешняя сфера имеет противоположный заряд по отношению к центральному атому и соединяется с внутренней сферой по ионному механизму.
2. Внутренняя сфера может быть:
- нейтральной частицей, например, [Cr(CO)6] или [B(NH3)F3], и тогда у комплекса нет внешней сферы;
- катионом, [Ni(NH3)6]2+ или [Cu(H2O)4]2+;
- анионом, [Mn(NO2)4]2-, [Fe (CN)6]4-, [PtCl6]2-.
3. Внешняя сфера может быть:
- простым ионом - катионом (К+, Н+, Na+) или анионом (Cl-, OH-, SO42-);
- полярной молекулой (Н2О, NH3);
- сложным ионом. Тогда две внутренние сферы связаны по ионному механизму: [Cu(NH3)4][PtCl6].
4. Во внутренней сфере главная частица - комплексообразователь, которая координирует вокруг себя другие ионы, атомы или молекулы - лиганды.
Комплексообразователь:
– чаще катион или нейтральный атом d-Me и f-Me: Fe, Сr, Mn, Mo, Zn, Cu, Os, Ru, Pt;
- реже - р-элемент – металл или неметалл в положительной степени окисления: Al3+, Sn2+, Sn3+, Pb2+, Pb4+, В (+3), Si (+4), P (+5), S (+6), I (+7);
- очень редко – атом неметалла в отрицательной степени окисления: Se (-2), I (-1);
- совсем редко - нейтральная молекула: I2, H2O, NH2.
5. Количество связей, образуемых комплексообразователем с лигандами, - координационное число комплексообразователя (к.ч.).
Координационное число (к.ч.) иона-комплексообразователя равно удвоенному значению заряда этого иона:
к.ч.(Ag+) = 2, к.ч. (Cu2+) = 4, к.ч. (Fe3+) = 6.
Наиболее распространены комплексы с к. ч. 4 и 6, реже – 2, совсем редко - 8 и 12.
6. Лигандами могут быть:
- ионы противоположного знака (анионы NO3–, Cl–, OH–, CN–, SCN– или катионы Н+, NH4+);
- нейтральные молекулы (CO, NH3, H2O);
- иногда сложные органические молекулы (этилендиамин (NH2)2C2H4).
В одном комплексном соединении могут размещаться несколько одинаковых или различных лигандов.
7. Лиганд
- монодентатный - одна связь с комплексообразователем: ОН-; Cl-;
- полидентатный - несколько связей с комплексообразователем: би- (SO42-), три-(PO43-), очень редко тетра-. Соединения с полидентатными лигандами формируют замкнутые циклы, как правило, без внешней сферы – хелаты;
- амбидентатный - связи с комплексообразователем через разные атомы: NCS– через атом азота – роданидные комплексы [Fe(NCS)6]3– , через атом серы – тиоцианатные комплексы [Cu(SCN)4]2–;
-
мостиковый
-
связывает
разные комплексообразователи. Комплекс
- полиядерный
или кластер:
[(СО)5Mn–Mn(CO)5]
или
[(СО)4Со–Со(CO)4]:
СО
/ \
(СО)3Со – Со(СО)3 .
\ /
СО
Механизм образования связей в комплексных соединениях
1). Теория Лайнуса Полинга (1947г): донорно-акцепторное взаимодействие свободных орбиталей комплексообразователя и не поделенных пар электронов лигандов.
NH3 + BF3 = [B(NH3)F3]
Н F H F
/ | \ /
Н – N: + □B – F → [H–N–B–F].
\ | / \
Н F H F
или
Сu+ + 2NH3 → [Cu(NH3)2]+
Н H H H
| | | |
Н – N: + □Cu+□ + :N – H → [H – N – Cu – N – H]+.
| | | |
Н H H H
2
).
Теория
валентных
связей: электронные
пары связи лигандов занимают свободные
гибридные орбитали комплексообразователя.
Zn2+ + 4:NH3 = [Zn(NH3)4]2+
ион Zn2+: …3d104s04p0. Эти вакансии и займут не поделённые электронные пары 4-х атомов азота молекул аммиака, образовав общую электронную систему:
3d10 | 4s2| 4p6
-
↑↓
↑↓
↑↓
↑↓
↑↓
↑↓
↑↓
↑↓
↑↓
В системе с sp3-гибридизацией ЦА комплекс имеет тетраэдрическое строение и диамагнитен (отсутствуют не спаренные электроны):
NH3
º
NH3
•Zn
H3Nº
ºNH3
В анионе гексафтороплюмбата (4) [PbF6]2- катион Pb4+ (5d66s06p06d0) и 6 анионов F– (2s22p6).
Взаимодействуют 2рx электронные пары 6F– с вакантными 6spd –орбиталями катиона Pb4+, образуются 6 ковалентных связей по донорно-акцепторному механизму:
5d6 | 6s2| 6p6 | 6d2
-
↓
↑
↑
↑
↑
↑
↑↓
↑↓
↑↓
↑↓
↑↓
↑↓
При sp3d2 -гибридизации ЦА комплекс - октаэдрическая пространственная структура и парамагнитен (имеются не спаренные электроны):
F
F
F
F
F
F
\
| /
F
Pb
F
либо в схематичном
виде [ Pb
]2–.
/ | \
F
F
F
F
3). Теория молекулярных орбиталей: взаимодействуют АО ЦА с АО лигандов, образуются МО.
Р
P
3Н+Н+
σ
*s
Е
Е
σ
*sp
σ*sp
●
σ*sp
3
р ●
●
3
s ●●
●
●
1s
●
●
●σsp●●
●●σsp
●
●
σs
АО МО АО
Рис. 1. Энергетическая диаграмма иона фосфония [PH4]+.
EiH = 13,6 эВ; EiР = 10,49 эВ - смещение уровней Е;
ЭО(Р) = 2,1; ЭО(Н) = 2,1; ΔЭО = 0 - неполярные связи.
Всего МО – 13, в т.ч. МОсв – 4, МО* - 4, МО0 – 5.
Строение – правильный тетраэдр.
4). Теория кристаллического поля или теория поля лигандов (Г. Хунд, 1964):
Все лиганды располагаются вокруг комплексообразователя в вершинах правильных многогранников в виде точечных отрицательных зарядов и создают электростатическое поле. Оно взаимодействует с ЦА по механизму ионной связи.
Но d–подуровни комплексообразователя расщепляются под действием поля лигандов, что изменяет свойства комплекса.