МОУ « Средняя общеобразовательная школа с углубленным изучением отдельных предметов № 32» города Прокопьевска Комплексные соединения Проект по химии Презентацию разработали и выполнили учащиеся 11 – в класса Руководитель : учитель химии Бедарева Наталья Анатольевна 2009 Программа курса Введение Координационная теория А. Вернера Строение комплексных соединений Классификация и номенклатура Химические свойства Получение Применение 30.04.09. Бедарева Н.А., уч-ся 11 - в кл. 2 Введение В различных реакциях, протекающих в растворе, мы обнаруживаем участие неизменных группировок атомов, выступающих либо в виде ионов (SO42-, OH-, NO2- , CO32-, NO2+ и т.д.), либо в виде нейтральных молекул (, NH3, CO, NO и других). Эти неизменные группировки атомов способны к взаимодействию в растворе с ионами металлов или нейтральными молекулами с образованием более сложных частиц. Проделаем несколько качественных реакций: 1. Между растворами сульфата железа(II) и гексацианоферрата(III) калия; 2. Между растворами хлорида железа(III) и роданида аммония; 3. Между растворами сульфата меди(II) и гидроксида аммония. 30.04.09. Бедарева Н.А., уч-ся 11 - в кл. 3 Результаты опытов В результате проделанных реакций наблюдаем изменение цвета раствора или выпадение осадка. 1. Результатом реакции между растворами сульфата железа(II) и гексацианоферрата(III) калия является образование синего осадка турнбулевой сини . Ион Fe2+ легко присоединяет ионы CN- , образуя сложный анион: Fe2+ + 6 CN- = [Fe(CN)6]4- 30.04.09. Бедарева Н.А., уч-ся 11 - в кл. 4 Результаты опытов 2. Результатом реакции между растворами хлорида железа(III) и роданида аммония наблюдается характерное ярко – красное окрашивание. Ион Fe3+ легко присоединяет ионы CNS- , образуя кроваво-красный тиоционатный комплекс железа [Fe(CNS)4]Fe3+ + 4 CNS = [Fe(CNS)4]- 30.04.09. Бедарева Н.А., уч-ся 11 - в кл. 5 Результаты опытов 3. Результатом реакции между растворами сульфата меди(II) и гидроксида аммония является образование ярко –голубого осадка. Ион Cu2+ взаимодействует в растворе с молекулами NH3 по обратимой реакции с образованием ярко-синего раствора (сложный катион): Cu2+ + 4 NH3 = [Cu(NH3)4]2+ 30.04.09. Бедарева Н.А., уч-ся 11 - в кл. 6 В ходе проделанных качественных реакций на катионы Cu2+ , Fe2+, Fe3+ мы наблюдали образование комплексных катионов и анионов. Металлы: медь и железо относятся к металлам побочных подгрупп. Следовательно, комплексные соединения образуют металлы побочных подгрупп. Но почему? Задание ученику: Составьте электронные формулы элементов металлов побочных подгрупп: 1s22s22p63s23p64s13d10 1s22s22p63s23p64s23d6 1s22s22p63s23p64s13d5 1s22s22p63s23p64s23d10 1s22s22p63s23p64s23d5 30.04.09. Бедарева Н.А., уч-ся 11 - в кл. 7 Вывод На основании проделанной работы делаем вывод о том, что чаще всего комплексные соединения образуют металлы побочных подгрупп, имеющие 2 s-электрона( реже один) на последнем электронном слое и, как правило, Незавершенный d- подуровень предыдущего. Реже металлы s- элементов. Поэтому окончание квантовой формулы для этих элементов в общем виде можно записать так: nS2(1)(n-1)d1-10 где n- номер последнего электронного слоя. В состав комплексного соединения металл входит в виде иона. Поскольку у d- элементов в большинстве случаев остается незаполненным последний электронный слой, то можно предположить, что не только d-электроны, но и свободные электронные ячейки элементов могут участвовать в образовании комплексных соединений. Комплексные соединения образуют прежде всего d-металлы, и это связано с особенностями строения их атомов. 30.04.09. Бедарева Н.А., уч-ся 11 - в кл. 8 Координационная теория А. Вернера Природу химических связей в комплексах, их строение и принципы их образования объясняет координационная теория Альфреда Вернера, созданная в 1893 году. В основу теории легли положения пространственного строения веществ и теории электролитической диссоциации. 1. Атомы могут проявлять не только обычную «главную» валентность, но и побочную «дополнительную». Побочные валентности насыщаются только при образовании комплексных соединений. Главные валентности катионов металлов насыщаются только отрицательно заряженными ионами, побочные валентности могут насыщаться и отрицательно заряженными ионами и нейтральными молекулами. Главные и побочные «вернеровские» валентности в ядрах комплексов не различаются по своей прочности и природе. 2. В каждом комплексном ионе имеется центральный атом(комплексообразователь), вокруг которого располагаются координированные им ионы и молекулы. 30.04.09. Бедарева Н.А., уч-ся 11 - в кл. 9 3. Каждый комплекс характеризуется «координационным числом», которое показывает сколько атомов, ионов или молекул размещено вокруг центрального атома. Координационное число может быть высоким и низким. От 1 до 12-14. Чаще небольшое нечетное число – 2,4. 4. Координационные атомы находятся во внутренней сфере комплексных соединений. Они называются аддентами ( или лигандами, по современной номенклатуре). 5. Центральный атом и внутреннюю сферу выделяют квадратными скобками. Она может быть нейтральной или заряженной ( как положительно, так и отрицательно). 6. Если внутренняя сфера комплексных соединений заряжена, то комплекс имеет внешнюю сферу, поскольку заряженный комплекс (точнее его ядро) может притягивать противоположно заряженные ионы. Внешняя сфера Внутренняя сфера [Cu(NH3)4]SO4 Координационное число Центральный атом Лиганда 30.04.09. Бедарева Н.А., уч-ся 11 - в кл. 10 Комплексными соединениями называются определенные химические соединения, образованные сочетанием отдельных компонентов и представляющие собой сложные ионы или молекулы, способные к существованию как в кристаллическом, так и в растворенном состоянии. Итак, теория Вернера позволила систематизировать имеющиеся в то время сведения о комплексных соединениях и предпринять направленный систематический поиск новых соединений. Например, на основе координационной теории в наши дни объясняется химическое строение хлорофилла и гемоглобина. Молекула гемоглобина 30.04.09. Молекула хлорофилла Бедарева Н.А., уч-ся 11 - в кл. 11 Задания ученику. Запишите определения следующих понятий: 30.04.09. Бедарева Н.А., уч-ся 11 - в кл. 12 Строение комплексных соединений Почему многие устойчивые молекулы способны присоединяться к комплексообразователю? Рассмотрим комплексообразование на следующем примере. При действии аммиака на раствор соли цинка выпадает осадок. При избытке аммиака осадок растворяется. Что при этом происходит? Из раствора можно выделить соль – аммиакат цинка ZnCl2.4NH3 . Это соединение комплексное. Оно образовано комплексными катионами [Zn(NH3)4]2+ и простыми анионами Сl. Происходящие реакции можно выразить следующим суммарным уравнением: Zn2+ + 4 NH3 = [Zn(NH3)4]2+ Образование комплекса объясняется донорно-акцепторным взаимодействием иона Zn2+ с молекулами NH3 . У иона Zn2+ имеются свободные валентные орбитали - одна S и три Р орбитали. Поэтому ион Zn2+ может выступать в качестве акцептора четырех электронных пар. Молекула NH3 имеет неподеленную электронную пару и, может выступать в качестве донора электронной пары. 30.04.09. Бедарева Н.А., уч-ся 11 - в кл. 13 Вследствие SP3 - гибридизации орбиталей цинка ион [Zn(NH3)4]2+ имеет форму тетраэдра. 2+ NH3 Zn2+ + 4 NH3 донор Zn NH3 акцептор NH3 NH3 Связь между внешней и внутренней сферами комплексного соединения имеет ионный характер и легко разрушается в воде с образованием ионов: [Zn(NH3)4]Cl ↔ [Zn(NH3)4]2+ + 2Cl- 30.04.09. Бедарева Н.А., уч-ся 11 - в кл. 14 КОМПЛЕКСНЫЙ ИОН СТРОЕНИЕ КОМПЛЕКСНЫХ СОЕДИНЕНИЙ NH4Cl КОМПЛЕКСООБРАЗОВАТЕЛЬ ЛИГАНДЫ ВНУТРЕННЯЯ СФЕРА 30.04.09. ВНЕШНЯЯ СФЕРА КООРДИНАЦИОННОЕ ЧИСЛО - 4 Бедарева Н.А., уч-ся 11 - в кл. 15 Задания ученику: 1. Укажите внутреннюю и внешнюю сферы, комплексообразователь (центральный атом) и лиганды в следующих комплексных соединениях: А). K3[Co(C2O4)3]; [Zn(NH3)4](NO3)2; Sr2[Cu(OH)6] Б). [Cr(CO)6]; Na3[Co(NO2)6] . H2O; Ca[Cr(NH3)2(NCS)4]2 2. Определите степень окисления комплексообразователя в комплексных соединениях: А). Na3[FeF6]; [Cr(C6H6)2]; [Ni(NH3)6]Cl2 Б). Na[Sb(OH)6]; K2[HgI4]; [Cr(H2O)6]Cl3 30.04.09. Бедарева Н.А., уч-ся 11 - в кл. 16 Классификация и номенклатура По характеру электрического заряда Катионные комплексы [Ni(NH3)6]Cl2 30.04.09. Анионные Комплексы Sr2[Cu(OH)6] Нейтральные Комплексы [Al2Cl6] Бедарева Н.А., уч-ся 11 - в кл. 17 По дентатности ( для лигандов) Число занимаемых лигандом координационных мест центрального атома (или атомов), называется дентатностью Если лиганд связан с комплексообразователем через один из своих атомов одной двухцентровой химической связью. Это: галогенидионы, цианидион, аммиак, вода и другие. 30.04.09. Каждая молекула или ион бидентатного лиганда образует с комплексообразователем две химические связи в соответствии с особенностями своего строения. Это: этилендиамин, карбонат-ион, оксалат-ион . Если лиганд образует с комплексообразователем три химические связи. Например, NH2CH2 -CHNH2 – CH2N H2 триаминопропан Бедарева Н.А., уч-ся 11 - в кл. Полидентатные лиганды могут выступать в роли мостиковых лигандов, объединяющих два и более центральных атома. Например, этилендиаминтетрауксуснаякислота (EDTA), способная занять шесть координационных мест. 18 Комплексные соединения классифицируются Основания [Cu(NH3)4](OH)2 по классам Кислоты H[AuCl4] 30.04.09. Соли Na3[FeF6] Бедарева Н.А., уч-ся 11 - в кл. 19 Номенклатура комплексов Комплексные соединения называли, руководствуясь их внешним видом, например, пурпуреосоль (красная соль) [Co(NH3)5Cl]Cl2, лутеосоль (желтая соль) состава [Co(NH3)6]Cl3 , либо происхождением, например, красная кровяная соль K3[Fe(CN)6] и т.п. Немало комплексных соединений получили имена химиков, синтезировавших их: соль Фишера K3[Co(NO2)6] , соль Рейнеке NH4[Cr(NH3)2(NCS)4] и др. Современная номенклатура комплексных соединений основана на рекомендациях ИЮПАК (Международный союз общей и прикладной химии) и адаптирована к традициям русского химического языка. 30.04.09. Бедарева Н.А., уч-ся 11 - в кл. 20 Давая название комплексу, сначала называют анион, потом катион, как бы читая формулу комплексного соединения с конца к началу. В названиях комплексных соединений используются приставки: ди- два; три- три; тетра-четыре; пента-пять; гекса- шесть и т.д. Далее называют лиганды. Если центральный ион входит в состав комплексного аниона, то анион называется: Fe – феррат, Cu – купрат, Ag – аргентат, Au – аурат, Hg – меркурат, Zn – цинкат, Al – алюминат и т. д. После названия центрального иона в скобках указывается его валентность, равная заряду. Если центральный ион входит в состав комплексного катиона, то он называется по русски. 30.04.09. Бедарева Н.А., уч-ся 11 - в кл. 21 Названия лигандов NH3 Аммин H+ Гидро- ОН- Гидроксо- H2O Аква NO+ Нитрозилий F- Фторо- СО Карбонил NO2+ Нитроилий Сl- Хлоро- NO Нитрозил N2H5+ Гидразиний Br- Бромо- SO2 Диоксера SO32- Сульфито- J- Иодо- S2- Тио O22- Пероксо- CN- Циано- O2- Оксо C2O42- Оксалато- CO32- Карбонато- 30.04.09. Бедарева Н.А., уч-ся 11 - в кл. 22 Задания ученику: 1. Составьте названия комплексных соединений: [Cu(NH3)4](OH)2 Гидроксид тетрааммин меди (II) Na[Zn(OH)4] Тетрагидроксоцинкат натрия K3[Cr(CN)6] Гексацианохромат(III) калия Fe(CO)5 Пентакарбонилжелезо (0) [Ag(NH3)2] Cl Хлорид диаммин серебра (I) 2. Построить формулы веществ по названиям: Тетрагидроксоцинкат калия K2[Zn(OH)4] Гексацианоферрат(II) натрия Na4[Fe(CN)6] Сульфат тетраамминмеди(II) [Cu(NH3)4]SO4 Нитрат гексаакваалюминия (III) 30.04.09. [Al(H2O)6]NO3 Бедарева Н.А., уч-ся 11 - в кл. 23 РАССТАВЬТЕ СТЕПЕНЬ ОКИСЛЕНИЯ ИОНА КОМПЛЕКСООБРАЗОВАТЕЛЯ: Na3[AlF6] Ответ: Na+3[Al+3F-6] K[MgCl3] Ответ: K+[Mg+2Cl-3] Na[Al(OH)4] Ответ: Na+[Al+3(OH)-4] Na4[Fe(CN)6] Ответ:Na+4[Fe+2(CN)-6] Na3[Al(OH)6] Ответ:Na+3[Al+3(OH)-6] [Cu(NH3)4]Cl2 Ответ:[Cu+2(NH3)04]Cl-2 30.04.09. Бедарева Н.А., уч-ся 11 - в кл. 24 Химические свойства 1. Диссоциация. [ Cu(NH3)4]SO4 ↔ [Cu(NH3)4]2+ + SO42K3[Co(NO2)6]↔ 3 K+ + [Co(NO2)6]3- Комплексные ионы диссоциируют как слабые электролиты: [Cu(NH3)4]2+ ↔ Cu2+ + 4 NH3 2. Реакции ионного обмена по внешней сфере : [Cu(NH3)4]SO4 + BaCl2 = [Cu(NH3)4]Cl2 + BaSO4↓ 3. Реакции с участием лигандов: [Cu(NH3)4]SO4 + 4HCl = 4 NH4Cl + CuSO4 30.04.09. Бедарева Н.А., уч-ся 11 - в кл. 25 4. Реакции по центральному иону: а). обменные: [Ag(NH3)2] Cl + KJ = AgJ↓ + KCl + 2NH3 б). окислительно-восстановительные : (взаимодействие глюкозы с реактивом Толленса) CH2OH(CHOH)4COH + [Ag(NH3)2]OH = = CH2OH(CHOH)4COONH4 + 2Ag↓+ 2H2O + 3 NH3 5. Реакция изомеризации: [Cr(H2O)6]3+ + 3Cl- = [Cr(H2O)5Cl]Cl2 .H2O У соли хрома возможно существование трех изомеров, различных по цвету : светло – зеленый - [Cr(H2O)5Cl]Cl2. H2O темно – зеленый - [Cr(H2O)4Cl2]Cl. H2O фиолетовый - [Cr(H2O)6]Cl3 30.04.09. Бедарева Н.А., уч-ся 11 - в кл. 26 Получение Опыт № 1. Получение комплексного соединения меди (II). Получите осадок гидроксида меди (II) и прилейте к нему избыток концентрированного раствора аммиака. Как изменился цвет осадка при действии на него раствором аммиака? Чем это объяснить? Составьте уравнение происходящей химической реакции и назовите полученное комплексное соединение. 30.04.09. Бедарева Н.А., уч-ся 11 - в кл. 27 Опыт № 2. Получение комплексного соединения алюминия. Налейте в пробирку 1-2 мл раствора хлорида алюминия, затем постепенно добавьте к нему концентрированный раствор гидроксида натрия до исчезновения осадка. Почему вначале образовался осадок? Почему при избытке гидроксида натрия осадок исчез? Составьте уравнения происходящих реакций в молекулярном и ионном виде и назовите образовавшиеся вещества. Al(OH)3 + NaOH = Na[Al(OH)4 Опыт № 3. Получение комплексного соединения серебра. Получите осадок хлорида серебра, добавьте к нему раствор аммиака до полного растворения. Напишите уравнение реакции образования комплексного соединения. AgCl + 2 NH3 = [Ag(NH3)2] Cl Опыт № 4. Цветная реакция на фенол. В пробирку с раствором фенола прибавляют 2-3 капли раствора хлорида железа (III). Какие произошли изменения? Напишите уравнение реакции образования комплексного соединения. FeCl3 + 4C6H5OH + 2H2O = H[Fe(O-C6H5)4 (H 2O)2] + 3HCl 30.04.09. Бедарева Н.А., уч-ся 11 - в кл. 28 Опыт № 5. Образование глицерата меди (II). К 1 мл раствора щелочи в пробирке добавьте равное количество раствора CuS04. К образовавшемуся гидроксиду меди (II) добавьте 0,5 мл глицерина. Какие произошли изменения? Составьте уравнения реакций. 30.04.09. Бедарева Н.А., уч-ся 11 - в кл. 29 Применение Аналитическое определение металлов, использование для очистки природных и сточных вод. 30.04.09. Бедарева Н.А., уч-ся 11 - в кл. 30 Получение чистых и сверхчистых веществ. Например, для отделения примесей от урана широко используется его способность образовывать комплексные карбонаты. Аналогичным образом очищают от примесей торий и плутоний. 30.04.09. Бедарева Н.А., уч-ся 11 - в кл. 31 Получение покрытий электрохимическим методом. Всем известны декоративные и защитные покрытия на металлических изделиях – оцинкованных, луженых, никелированных, хромированных, медненых, золоченых, посеребренных. Оказалось, что особенно плотные ровные покрытия получаются при электролизе растворов комплексных солей. Комплексные соединения электролизуются медленнее, чем обычные, и это способствует отложению мельчайших зерен металла, плотно покрывающих поверхность всего катода. 30.04.09. Бедарева Н.А., уч-ся 11 - в кл. 32 Катализ. Комплексные соединения непереходных и особенно переходных металлов катализируют самые разнообразные реакции: полимеризацию, окисление олефинов в альдегиды и кетоны, образование эфиров. 30.04.09. Бедарева Н.А., уч-ся 11 - в кл. 33 Роль комплексных соединений в живых организмах ( гемоглобин, хлорофилл, ферменты, витамины). 30.04.09. Бедарева Н.А., уч-ся 11 - в кл. 34 Краски. Лаки. Цвет хаки, например, возникает при обработке хлопчатобумажных тканей солями железа и хрома, а затем щелочными растворами. При этом идет осаждение на ткани многоядерных гидроксокомплексов. Фталоцианин меди - монастраль голубой ценится блестящим оттенком, высокой красящей способностью, прочностью и нерастворимостью в воде, устойчивостью к нагреванию. Алый диметилглиоксимат Ni (II) входит в состав губной помады. 30.04.09. Бедарева Н.А., уч-ся 11 - в кл. 35 Ионный контроль. В различных производствах возникают мешающие ионы металлов, которые удаляются или маскируются комплексами. Содержащиеся в «жесткой» воде ионы кальция и магния связывают в растворимые комплексы (умягчают воду) полифосфатами или полиаминокислотами, например, ЭДТА. Желтая кровяная соль К4 [Fe (CN)6] используется в виноделии: ее добавляют к созревшему вину для очистки и осветления. 30.04.09. Бедарева Н.А., уч-ся 11 - в кл. 36 Кино и фотография, производство зеркал. В основе обработки фотоматериалов лежит комплексообразование. Прежде всего оно используется в процессе фиксирования, где неэкспонированное серебро (I) связывается и переводится в раствор: 2AgBr + 3Na2S2O3 = Na4[Ag2(S2O3)3] + 2NaBr 30.04.09. Бедарева Н.А., уч-ся 11 - в кл. 37 30.04.09. Бедарева Н.А., уч-ся 11 - в кл. 38