Koordinasjonskjemi

Et koordinasjonskompleks består av et sentralt metallatom eller metallion bundet til ligander som donerer elektronpar til metallet. Notasjonen i hakeparenteser skjuler mye struktur: for å lese et kompleks må du skille metall, ligandladninger, koordinasjonstall og metallionets formelle oksidasjonstall.

Metall, ligander og koordinasjonstall

En ligand binder gjennom ett eller flere donoratomer. NH₃ og H₂O er vanlige nøytrale ligander; Cl⁻ og CN⁻ er anioniske. En bidentat ligand som etylendiamin (en) bruker to donoratomer samtidig.

Koordinasjonstallet teller donoratomene direkte bundet til metallet, ikke bare antall ligandmolekyler. [M(en)₃] har derfor tre ligander, men koordinasjonstall 6.

Koordinasjonstall teller donoratomene rundt metallet; monodentate og bidentate ligander bidrar forskjellig.metallliganddonoratom
Koordinasjonstall teller donoratomene rundt metallet; monodentate og bidentate ligander bidrar forskjellig.

Finn oksidasjonstallet med ladningsregnskap

Summer ligandladninger og metallionets ukjente oksidasjonstall slik at totalen blir kompleksionets ladning. I [Fe(CN)₆]⁴⁻ er seks CN⁻ til sammen −6; derfor må Fe være +2 for å gi total −4.

Oksidasjonstall er formell elektronbokføring og er ikke identisk med målt atomladning. Det er likevel svært nyttig for elektronkonfigurasjon, redoksreaksjoner og navngiving.

Ligandfelt påvirker farge og magnetisme

Ligander splitter energiene til metallionets d-orbitaler. Hvis et foton absorberes mellom slike nivåer, kan det synlige lyset som blir igjen få en komplementær farge. Splittingsstørrelsen avhenger av metall, oksidasjonstall, geometri og ligand.

Antall uparede d-elektroner påvirker magnetismen. Sterkere ligandfelt kan i enkelte d-konfigurasjoner favorisere paring, mens svakere felt gir flere uparede elektroner. Derfor kan to komplekser av samme metallion ha ulik farge og magnetisk respons.

Ligandfelt splitter d-orbitalenes energier og kan derfor påvirke både absorbert lys og antall uparede elektroner.lavere energihøyere energi
Ligandfelt splitter d-orbitalenes energier og kan derfor påvirke både absorbert lys og antall uparede elektroner.

Isomeri og chelateffekt viser at geometri betyr noe

Samme formel kan gi ulike romlige ordninger. Cis/trans-isomeri oppstår for eksempel når ligandene kan plasseres ved siden av eller motsatt hverandre. Optiske isomerer kan være speilbilder som ikke kan legges oppå hverandre.

Polydentate ligander danner ringer når flere donoratomer binder samme metall. Chelateffekten gjør slike komplekser ofte mer stabile enn tilsvarende komplekser med samme antall enkle monodentate bindinger, blant annet på grunn av entropi og flerpunktbinding.

Løste eksempler

1. [Co(NH₃)₆]³⁺

Hva er koordinasjonstallet og koboltets oksidasjonstall?

Løsning

Seks NH₃-ligander binder med ett N hver, så koordinasjonstallet er 6. NH₃ er nøytral, derfor er Co +3.

2. [Fe(CN)₆]⁴⁻

Finn oksidasjonstallet til Fe.

Løsning

La Fe være x: x + 6(−1) = −4, altså x = +2.

3. [M(en)₃]ⁿ⁺

Hvorfor er koordinasjonstallet 6 og ikke 3?

Løsning

Hver en-ligand er bidentat og gir to donoratomer. Tre ligander gir derfor 3×2 = 6 metall–donor-bindinger.

Når oksidasjonstallet er funnet, kan man ofte anslå metallionets d-elektrontall ved å starte fra det nøytrale atomets elektronkonfigurasjon og fjerne elektroner i riktig rekkefølge. Det gir et viktig bindeledd mellom formell ladningsbokføring og magnetisme. Høyspinn/lavspinn er likevel ikke en etikett som kan tildeles uten å kjenne geometri, d-konfigurasjon og konkurransen mellom ligandfeltsplitting og elektronparingsenergi.