Координационна химия

Координационният комплекс съдържа централен метален атом или йон и лиганди, които даряват електронни двойки към метала. Формулата в квадратни скоби скрива много структура: трябва да се разграничат металът, зарядите на лигандите, координационното число и формалното окислително състояние.

Метал, лиганди и координационно число

Лигандът се свързва чрез един или повече донорни атоми. NH₃ и H₂O са обичайни неутрални лиганди, а Cl⁻ и CN⁻ анионни. Бидентатният етилендиамин (en) използва два донорни атома.

Координационното число брои донорните атоми, директно свързани с метала, а не само броя лигандни молекули. Затова [M(en)₃] има три лиганда, но координационно число 6.

Координационното число брои донорните атоми около метала; монодентатните и бидентатните лиганди допринасят различно.

Окислителното състояние се намира от баланса на зарядите

Сумирайте зарядите на лигандите и неизвестното окислително състояние на метала така, че сумата да даде общия заряд на комплекса. В [Fe(CN)₆]⁴⁻ шест CN⁻ дават −6, следователно Fe трябва да е +2.

Окислителното състояние е формално електронно счетоводство и не е равно на измерен частичен заряд. То обаче е много полезно за електронна конфигурация, редокс и номенклатура.

Лигандното поле влияе върху цвят и магнетизъм

Лигандите разделят енергиите на d-орбиталите на металния йон. Поглъщане на видим фотон между тези нива може да остави допълнителен цвят в преминалата или отразената светлина. Разделянето зависи от метала, окислителното състояние, геометрията и лиганда.

Броят неспарени d-електрони влияе върху магнетизма. По-силно лигандно поле при някои d-конфигурации благоприятства сдвояването, докато по-слабо поле оставя повече неспарени електрони.

Лигандното поле разделя d-орбиталните енергии и може да промени както поглъщането на светлина, така и броя неспарени електрони.

Изомерията и хелатният ефект показват значението на геометрията

Една и съща формула може да има различно пространствено подреждане. Cis/trans изомерия възниква, когато лигандите могат да са съседни или срещуположни. Оптични изомери могат да бъдат огледални образи, които не се наслагват.

Полидентатни лиганди образуват пръстени, когато се свързват към един метал в няколко точки. Хелатният ефект често прави такива комплекси по-стабилни от аналози с монодентатни лиганди, поради ентропия и многоточково свързване.

Решени примери

1. [Co(NH₃)₆]³⁺

Определете координационното число и окислителното състояние на Co.

Решение

Шест NH₃ лиганда се свързват чрез по един N, така че числото е 6. NH₃ е неутрален и Co е +3.

2. [Fe(CN)₆]⁴⁻

Намерете окислителното състояние на Fe.

Решение

x + 6(−1) = −4, следователно x = +2.

3. [M(en)₃]ⁿ⁺

Защо координационното число е 6, не 3?

Решение

Всеки en е бидентатен и дава два донорни атома. Три лиганда дават 3×2 = 6 връзки.

След намиране на окислителното състояние броят d-електрони на металния център често може да се изведе от електронната конфигурация на неутралния атом и правилния ред на отстраняване на електрони. Това свързва формалния баланс на зарядите с магнетизма. Високоспиново или нискоспиново състояние обаче не се определя само от името на лиганда: важни са геометрията, d-конфигурацията и конкуренцията между лигандното разцепване и енергията на сдвояване.