Комплексные соединения

Конспект урока-лекции

Цели. Сформировать представления о составе, строении, свойствах и номенклатуре комплексных соединений; развить навыки определения степени окисления у комплексообразователя, составления уравнений диссоциации комплексных соединений.
Новые понятия: комплексное соединение, комплексообразователь, лиганд, координационное число, внешняя и внутренняя сферы комплекса.
Оборудование и реактивы. Штатив с пробирками, концентрированный раствор аммиака, растворы сульфата меди(II), нитрата серебра, гидроксида натрия.

ХОД УРОКА

Лабораторный опыт. К раствору сульфата меди(II) прилить раствор аммиака. Жидкость окрасится в интенсивный синий цвет.

Что произошло? Химическая реакция? До сих пор мы не знали, что аммиак может реагировать с солью. Какое вещество образовалось? Каковы его формула, строение, название? К какому классу соединений его можно отнести? Может ли аммиак реагировать с другими солями? Есть ли соединения, аналогичные этому? Ответить на эти вопросы нам и предстоит сегодня.

Чтобы лучше изучить свойства некоторых соединений железа, меди, серебра, алюминия, нам потребуются знания о комплексных соединениях.

Продолжим наш опыт. Полученный раствор разделим на две части. К одной части прильем щелочь. Осадка гидроксида меди(II) Cu(OH) 2 не наблюдается, следовательно, в растворе нет двухзарядных ионов меди или их слишком мало. Отсюда можно заключить, что ионы меди вступают во взаимодействие с прибавленным аммиаком и образуют какие-то новые ионы, которые не дают нерастворимого соединения с ионами OH – .

В то же время ионы остаются неизменными. В этом можно убедиться, прибавив к аммиачному раствору раствор хлорида бария. Тотчас же выпадет белый осадок BaSO 4 .

Исследованиями установлено, что темно-синяя окраска аммиачного раствора обусловлена присутствием в нем сложных ионов 2+ , образовавшихся путем присоединения к иону меди четырех молекул аммиака. При испарении воды ионы 2+ связываются с ионами , и из раствора выделяются темно-синие кристаллы, состав которых выражается формулой SO 4 H 2 O.

Комплексными называют соединения, содержащие сложные ионы и молекулы, способные к существованию как в кристаллическом виде, так и в растворах.

Формулы молекул или ионов комплексных соединений обычно заключают в квадратные скобки. Комплексные соединения получают из обычных (некомплексных) соединений.

Примеры получения комплексных соединений

Строение комплексных соединений рассматривают на основе координационной теории, предложенной в 1893 г. швейцарским химиком Альфредом Вернером, лауреатом Нобелевской премии. Его научная деятельность проходила в Цюрихском университете. Ученый синтезировал много новых комплексных соединений, систематизировал ранее известные и вновь полученные комплексные соединения и разработал экспериментальные методы доказательства их строения.

А.Вернер (1866–1919)

В соответствии с этой теорией в комплексных соединениях различают комплексообразователь , внешнюю и внутреннюю сферы . Комплексообразователем обычно является катион или нейтральный атом. Внутреннюю сферу составляет определенное число ионов или нейтральных молекул, которые прочно связаны с комплексообразователем. Их называют лигандами . Число лигандов определяет координационное число (КЧ) комплексообразователя.

Пример комплексного соединения

Рассмотренное в примере соединение SO 4 H 2 O или CuSO 4 5Н 2 О – это кристаллогидрат сульфата меди(II).

Определим составные части других комплексных соединений, например K 4 .
(Справка. Вещество с формулой HCN – это синильная кислота. Соли синильной кислоты называют цианидами.)

Комплексообразователь – ион железа Fe 2+ , лиганды – цианид-ионы СN – , координационное число равно шести. Все, что записано в квадратных скобках, – внутренняя сфера. Ионы калия образуют внешнюю сферу комплексного соединения.

Природа связи между центральным ионом (атомом) и лигандами может быть двоякой. С одной стороны, связь обусловлена силами электростатического притяжения. С другой – между центральным атомом и лигандами может образоваться связь по донорно-акцепторному механизму по аналогии с ионом аммония. Во многих комплексных соединениях связь между центральным ионом (атомом) и лигандами обусловлена как силами электростатического притяжения, так и связью, образующейся за счет неподеленных электронных пар комплексообразователя и свободных орбиталей лигандов.

Комплексные соединения, имеющие внешнюю сферу, являются сильными электролитами и в водных растворах диссоциируют практически нацело на комплексный ион и ионы внешней сферы. Например:

SO 4 2+ + .

При обменных реакциях комплексные ионы переходят из одних соединений в другие, не изменяя своего состава:

SO 4 + BaCl 2 = Cl 2 + BaSO 4 .

Внутренняя сфера может иметь положительный, отрицательный или нулевой заряд.

Если заряд лигандов компенсирует заряд комплексообразователя, то такие комплексные соединения называют нейтральными или комплексами-неэлектролитами: они состоят только из комплексообразователя и лигандов внутренней сферы.

Таким нейтральным комплексом является, например, .

Наиболее типичными комплексообразователями являются катионы d -элементов.

Лигандами могут быть:

а) полярные молекулы – NH 3 , Н 2 О, CO, NO;
б) простые ионы – F – , Cl – , Br – , I – , H – , H + ;
в) сложные ионы – CN – , SCN – , NO 2 – , OH – .

Pассмотрим таблицу, в которой приведены координационные числа некоторых комплексообразователей.

Номенклатура комплексных соединений. В соединении сначала называют анион, а затем катион. При указании состава внутренней сферы прежде всего называют анионы, прибавляя к латинскому названию суффикс -о- , например: Cl – – хлоро, CN – – циано, OH – – гидроксо и т.д. Далее называют нейтральные лиганды и в первую очередь аммиак и его производные. При этом пользуются терминами: для координированного аммиака – аммин , для воды – аква . Число лигандов указывают греческими словами: 1 – моно, 2 – ди, 3 – три, 4 – тетра, 5 – пента, 6 – гекса. Затем переходят к названию центрального атома. Если центральный атом входит в состав катионов, то используют русское название соответствующего элемента и в скобках указывают его степень окисления (римскими цифрами). Если центральный атом содержится в анионе, то употребляют латинское название элемента, а в конце прибавляют окончание -ат . В случае неэлектролитов степень окисления центрального атома не приводят, т.к. она однозначно определяется из условия электронейтральности комплекса.

Примеры. Чтобы назвать комплекс Сl 2 , определяют степень окисления (С.О.)
х комплексообразователя – иона Cu х + :

1 x + 2 (–1) = 0, x = +2, C.O.(Cu) = +2.

Аналогично находят степень окисления иона кобальта:

y + 2 (–1) + (–1) = 0, y = +3, С.О.(Со) = +3.

Чему равно координационное число кобальта в этом соединении? Сколько молекул и ионов окружает центральный ион? Координационное число кобальта равно шести.

Название комплексного иона пишут в одно слово. Степень окисления центрального атома обозначают римской цифрой, помещенной в круглые скобки. Например:

Cl 2 – хлорид тетраамминмеди(II),
NO 3 – нитрат дихлороакватриамминкобальта(III),
K 3 – гексацианоферрат(III) калия,
K 2 – тетрахлороплатинат(II) калия,
– дихлоротетраамминцинк,
H 2 – гексахлорооловянная кислота.

На примере нескольких комплексных соединений определим структуру молекул (ион-комплексообразователь, его С.О., координационное число, лиганды, внутреннюю и внешнюю сферы), дадим название комплексу, запишем уравнения электролитической диссоциации.

K 4 – гексацианоферрат(II) калия,

K 4 4K + + 4– .

H – тетрахлорозолотая кислота (образуется при растворении золота в «царской водке»),

H H + + –.

OH – гидроксид диамминсеребра(I) (это вещество участвует в реакции «серебряного зеркала»),

OH + + OH – .

Na – тетрагидроксоалюминат натрия,

Na Na + + – .

К комплексным соединениям относятся и многие органические вещества, в частности, известные вам продукты взаимодействия аминов с водой и кислотами. Например, соли хлорид метиламмония и хлорид фениламмония являются комплексными соединениями. Согласно координационной теории они имеют следующее строение:

Здесь атом азота – комплексообразователь, атомы водорода при азоте, радикалы метил и фенил – лиганды. Вместе они образуют внутреннюю сферу. Во внешней сфере находятся хлорид-ионы.

Многие органические вещества, имеющие большое значение в жизнедеятельности организмов, представляют собой комплексные соединения. К ним относятся гемоглобин, хлорофилл, ферменты и др.

Комплексные соединения находят широкое применение:

1) в аналитической химии для определения многих ионов;
2) для разделения некоторых металлов и получения металлов высокой степени чистоты;
3) в качестве красителей;
4) для устранения жесткости воды;
5) в качестве катализаторов важных биохимических процессов.

КОМПЛЕКСНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ (координационные соединения), химические соединения, в которых можно выделить центральный атом (комплексообразователь) и непосредственно связанные с ним (координированные) один или несколько ионов и/или молекул. Координированные частицы называются лигандами, число донорных атомов в них, координированных центральным атомом, - его координационным числом. Центральный атом связывает лиганды как за счёт электростатического, так и за счёт донорно-акцепторного взаимодействия. Координационное число и степень окисления являются важнейшими характеристиками атома-комплексообразователя.

Центральной атом и координированные лиганды образуют внутреннюю координационную сферу комплексных соединений; при написании формулы комплексных соединений её обычно заключают в квадратные скобки. Внутри скобок запись производится в следующей последовательности: химический символ центрального атома, символы анионных, затем нейтральных лигандов с указанием их числа. Если внутренняя сфера несёт заряд, то его компенсируют противоионы, образующие внешнюю сферу. Внешнесферными могут быть и катионы, например К + в K 4 , и анионы, например SO 4 2- в SО 4 . Кроме противоионов, во внешней сфере могут находиться нейтральные молекулы. Примерами комплексных соединений, состоящих только из центрального атома и лигандов, могут служить Ti(CO) 7 , Сr(СО) 6 и другие карбонилы металлов.

Названия комплексных соединений строятся в соответствии с номенклатурными правилами ИЮПАК начиная с лигандов и учитывая их заряд; например, - дихлородиамминплатина(II), (NО 3) 3 - нитрат гексаамминкобальта(III), Na 2 - тетрахлоропалладат(II) натрия.

Историческая справка. Среди ранних, научно документированных, исследований комплексных соединений можно выделить получение Cl 2 . В 1597 А. Либавием и KFe в 1704 году немецким ремесленником Г. Дисбахом, однако в соответствии с существующими на тот период представлениями эти вещества относили к двойным солям. Началом систематического изучения комплексных соединений обычно считают открытие французского химика Б. Тассера, описавшего в 1798 году появление коричневой окраски в аммиачных растворах хлорида кобальта при образовании хлорида гексаамминкобальта(III) Cl 3 . Важной особенностью этого исследования было понимание того, что образующееся соединение является продуктом сочетания способных к самостоятельному существованию валентно-насыщенных, весьма устойчивых «простых» соединений и что для водных растворов образующегося «сложного», или комплексного (от латинского complexus - сочетание), соединения характерны свойства, отличные от свойств составляющих его простых соединений. В 19 веке было синтезировано большое число разнообразных комплексных соединений; среди экспериментальных исследований можно выделить работы датского химика В. Цейзе, получившего комплексные соединения платины с органическими лигандами К (соль Цейзе, 1827), и С. Йёргенсена (синтезировал комплексные соединения кобальта, хрома, родия, платины).

В этот же период Т. Грэм, К. К. Клаус и другие учёные делают попытки объяснить существование и структуру комплексных соединений. Из ранних теорий наиболее широко известна цепная теория шведского химика К. Бломстранда, развитая С. Йёргенсеном (теория Бломстранда - Иёргенсена, 1869), позволившая объяснить строение некоторых классов комплексных соединений (в частности, аммиакатов). Обобщённое представление о пространственном строении комплексных соединений дала координационная теория, предложенная А. Вернером в 1893 году (работа удостоена в 1913 Нобелевской премии). Координационная теория опровергала общепринятые для объяснения строения неорганических соединений представления о постоянной и направленной валентности. А. Вернер ввёл важные для целого исторического периода понятия «главной» и «побочной» валентности, координации, координационного числа, геометрии комплексных соединений, создал основы классификации комплексных соединений; вопрос о природе главной и побочной валентности в координационной теории не рассматривался. Разрешение вопроса о природе координационной связи стало возможным после создания электронной теории валентности (Г. Льюис, 1916). Основная заслуга в использовании этой теории для объяснения природы координационной связи принадлежит английскому химику Н. Сиджвику. Согласно концепции Сиджвика (1923), главные валентности были интерпретированы как результат переноса электрона, побочные - как результат обобществления электронных пар. Развитие современных представлений о природе координационной связи связано с использованием квантово-химических подходов - теории кристаллического поля, метода валентных связей, метода молекулярных орбиталей, теории поля лигандов; основной вклад в распространение на комплексные соединения метода валентных связей принадлежит Л. Полингу, теории кристаллического поля - американскому химику Л. Оргелу. Развитию химии комплексных соединений способствовали исследования американских учёных Дж. Бейлара, Р. Пирсона, Г. Грея, отечественных химиков И. И. Черняева, Л. А. Чугаева, А. А. Гринберга, К. Б. Яцимирского и др.

В течение длительного периода химия комплексных соединений - координационная химия - считалась одним из разделов неорганической химии, поскольку большинство известных комплексных соединений содержало в качестве лигандов неорганические молекулы или ионы (аммиак, воду, цианогруппу и т. п.). Выделение координационной химии в самостоятельный, интенсивно развивающийся раздел химической науки связано не только с многочисленностью комплексных соединений (комплексные соединения по распространённости - вторые после органических соединений, известны практически для всех элементов-металлов и для некоторых неметаллов, содержат как неорганические, так и органические лиганды самых разнообразных типов), стремительным ростом количества изучаемых объектов и открытием новых классов комплексных соединений (металлоорганических соединений π-комплексного типа, природных комплексных соединений и их синтетических аналогов и пр.), но и с разработкой теоретических представлений, позволяющих рассматривать разнообразные классы комплексных соединений на единой основе. Междисциплинарное положение координационной химии обусловливает необходимость использования для её развития методов неорганической, физической, органической, аналитической, структурной химии. Изучение химических и физико-химических свойств комплексных соединений способствует установлению закономерностей, представляющих интерес для органической, биологической химии, катализа, электрохимии, фотохимии, химической технологии, материаловедения, медицины и других смежных областей.

Классификация комплексных соединений. Сложность классификации комплексных соединений обусловлена их многообразием. Наиболее общие принципы классификации комплексных соединений следующие: 1) по заряду: нейтральные, например ; катионные, например Cl 3 ; анионные, например ацидокомплексы (лигандами служат анионы кислот - ацидогруппы) - К 4 , К и др.; катионно-анионные, например ; молекулярные, например Ni(CO) 4 ; 2) по типу лигандов: простые, содержащие монодентатные лиганды, например Сl 2 ; хелатные - с присоединёнными к одному центральному атому через два или более соединительных, координирующих атома хелатными лигандами, например Сl 2 (en - этилендиамин Н 2 NCH 2 CH 2 NH 2 имеет два координирующих атома азота); содержащие лиганды одного типа, например Cl 3 ; содержащие различные лиганды, например ; 3) по количеству атомов элемента-комплексообразователя: моноядерные (все вышеприведённые примеры); полиядерные (или многоядерные), например [(en) 2 Cr(ОН) 2 Cr(en) 2 ]Br 4 ; к полиядерным комплексным соединениям относятся также кластеры, металлоцены, комплексы с мостиковыми лигандами и некоторые другие соединения. К комплексам с мостиковыми лигандами относятся гетерополисоединения - комплексные соединения анионного типа, содержащие во внутренней сфере в качестве лигандов анионы неорганических изополикислот (молибденовых, вольфрамовых и др.); изополианионы содержат мостиковые связи М-О-М, где М - атом-комплексообразователь (Р, As, Si, Ge, Ti, Ce), например К 3 , К 8 .

В отдельные группы выделяют комплексные соединения с одинаковыми лигандами: аквакомплексы (лигандами служат молекулы воды Н 2 О), например [Со(Н 2 О) 6 ]Сl 2 ; аммины (лиганды - молекулы аммиака NH 3), например Cl 2 , в эту же группу входят аммиакаты - комплексные соединения, содержащие молекулы аммиака не только во внутренней, но и во внешней сфере; гидроксокомплексы (лиганды - гидроксид-ионы ОН -), например К 2 ; гидридные комплексы (лиганды - гидрид-ионы Н -), например Na, Li; галогенаты (содержат атом галогена в качестве комплексообразователя и галогенидные лиганды); некоторые другие галогенаты, в свою очередь, подразделяются на анионгалогенаты, например Rb, NH 4 (соответственно изополигалогенат и гетерополигалогенат), и катионгалогенаты, например , .

Строение комплексных соединений. Химические связи в комплексных соединениях - координационная связь - осуществляется либо за счёт размещения неподелённой электронной пары донорного атома лиганда на свободных (и доступных) электронных орбиталях центрального атома (акцептора), либо за счёт перехода собственных электронов металла-комплексообразователя на незаполненные орбитали лиганда. В последнем случае чаще всего это молекулярные разрыхляющие π-орбитали, поэтому такая связь называется π-донорной, или π-дативной. Наиболее наглядную качественную информацию об образовании координационной связи даёт метод валентных связей. Детальные теоретические представления о строении комплексных соединений отражены в методе молекулярных орбиталей, теории кристаллического поля и теории поля лигандов. В рамках этих подходов даются объяснения электронного и геометрического строения комплексных соединений, проводятся оценки энергии связей. В современных теориях строения комплексных соединений и природы координационной связи используются представления о кислотах и основаниях Льюиса, принцип Пирсона о мягких и жёстких кислотах и основаниях (смотри в статье Кислоты и основания).

Центральным атомом в комплексных соединениях может быть как металл, так и неметалл. Прочность координационной связи металл - лиганд тем выше, чем выше заряд иона-комплексообразователя и чем меньше его радиус. Существенную роль играет электронная структура центрального атома. Ионы с электронной конфигурацией инертного газа обладают наименьшей склонностью к комплексообразованию. Более сильными комплексообразователями являются ионы Зd-элементов, имеющие как незавершённые, так и завершённые электронные оболочки. Из-за большего радиуса и размытости электронных орбиталей ионы Ad-, 5d-, 4f-элементов и особенно 5f-элементов образуют менее прочные связи. Эти общие закономерности обусловлены характером заполненности электронной оболочки металла, а также стерическими требованиями - оптимальным соотношением между размерами центрального атома и лигандов. В качестве атома-комплексообразователя чаще всего выступают атомы переходных металлов (Ti, V, Cr, Mn, Fe, Со, Ni, Cu, Zn, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg, редкоземельных элементов, актиноидов). Из неметаллов в качестве центральных атомов чаще всего выступают атомы В, Р, Si.

Лигандами в комплексных соединениях могут быть анионы неорганических и органических кислот (F - , Сl - , Вr - , I - , CN - , NO - 2 , SO 2- 4 , PO 3- 4 , C 2 O 2- 4 и др.), различные нейтральные молекулы, ионы и свободные радикалы, содержащие атомы О, N, Р, S, Se, С. Активность лиганда зависит от природы донорного атома: жёсткие катионы (щелочных, щёлочноземельных металлов, лантаноидов) предпочтительно связываются донорным атомом кислорода, более мягкие (переходных d-элементов) - донорными атомами N, S и др. Лиганд с несколькими донорными атомами (например, ЭДТА) способен образовывать хелатные циклы, обладающие высокой устойчивостью. Существенную роль при образовании комплексных соединений играет строение (в том числе гибкость) молекулы лиганда. По своей способности внедряться в электронные оболочки центрального атома, приводящей к изменению её строения, лиганды условно подразделяют на лиганды сильного и слабого поля.

При образовании комплексных соединений металл-комплексообразователь предоставляет свои валентные электронные орбитали (как заполненные, так и свободные) для размещения на них донорных электронных пар лигандов. Число и направленность заполненных общими электронами орбиталей определяют пространственное строение - стереохимию - комплексных соединений. Так, sp-комбинация молекулярных орбиталей соответствует линейному строению комплексных соединений, например + ; sp 2 - плоскому треугольному, например (AlF 3); sp 3 - тетраэдрическому, например 2+ ; sp 3 d - тригонально-бипирамидальному, например (NbF 5); dsp 2 - плоскому квадратному, например 2_ ; d 2 sp 3 или sp 3 d 2 - октаэдрическому, например 3+ , и т.д. Пространственное расположение лигандов вокруг центрального атома характеризуется координационным полиэдром.

Изомерия комплексных соединений. Многообразие комплексных соединений обусловлено образованием изомеров, одинаковых по составу, но отличающихся расположением лигандов вокруг центрального атома.

Гидратная (сольватная) изомерия обусловлена различным распределением молекул воды и анионных лигандов между внутренней и внешней сферами комплексных соединений. Например, соединение CrСl 3 ·6Н 2 О существует, по крайней мере, в трёх изомерных формах: Сl 3 - трихлорид гексааквахрома(III) фиолетового цвета, Сl 2 ·Н 2 О - моногидрат дихлорид пентааквахлорохрома(III) сине-зелёного цвета и Сl·2Н 2 О - дигидрат хлорид тетрааквадихлорохрома(III) зелёного цвета. Эти изомеры по-разному реагируют с раствором AgNO 3 , поскольку в осадок (AgCl) переходит только хлор, содержащийся во внешней сфере.

Ионизационная изомерия характеризуется различным распределением ионов между внешней и внутренней сферами комплексных соединений. При диссоциации в растворе такие изомеры образуют разные ионы. Например, для соединения CoBrSO 4 ·5NH 3 известны два изомера: SO 4 - красно-фиолетового цвета и Br - красного цвета.

Координационная изомерия заключается в различном распределении лигандов во внутренних координационных сферах. Например, изомеры и по-разному взаимодействуют с AgNO 3: образует осадок состава Ag 3 , приводит к осаждению соединения Ag 3 . Геометрическая изомерия (цис-, транс-изомерия) обусловлена различным пространственным расположением лигандов вокруг центрального атома. Так, комплекс существует в виде цис-изомера (формула I) и транс-изомера (формула II), отличающихся друг от друга рядом свойств.

Оптическая изомерия характеризуется способностью вращать плоскость поляризации плоскополяризованного света. Два изомера - правый и левый - отличаются друг от друга направлением вращения. Эти изомеры - зеркальные изображения друг друга - не могут быть совмещены в пространстве. Из двух геометрических изомеров бис-(этилендиамин)бромохлороникеля(II) только цис-изомер может существовать в виде двух оптических изомеров - энантиомеров:

Структурными (конформационными) изомерами называют такие координационные изомеры, в которых происходит изменение симметрии (пространственного строения) координационной сферы.

Свойства комплексных соединений. Различают термодинамическую стабильность комплексных соединений - меру возможности образования комплексных соединений или его превращения в другое соединение в равновесных условиях, и кинетическую, описывающую скорость реакций комплексов, ведущих к достижению равновесия. Термодинамическая стабильность комплексных соединений характеризуется терминами «устойчивый», «неустойчивый», кинетическая - «лабильный» и «инертный». Если при комнатной температуре реакция комплекса протекает за время смешения реагентов (около 1 минуты), комплексные соединения относят к лабильным; если реакция протекает с измеримой скоростью и половина времени жизни комплекса более 2 минут, такие комплексные соединения относят к инертным. Например, константа скорости изотопного обмена молекул воды во внутренней координационной сфере для инертного комплекса [Νi(Η 2 O) 6 ] 2+ равна 3,3∙10 4 с -1 , для лабильного [Сr(Н 2 O) 6 ] 3+ - 5∙10 -7 с -1 .

Устойчивость комплексных соединений определяется природой центрального атома и лиганда, а также стерическими факторами. В соответствии с принципом жёстких и мягких кислот и оснований, все центральные атомы условно разделяют на жёсткие и мягкие кислоты Льюиса. Жёсткие кислоты Льюиса имеют малый атомный или ионный радиус, высокую положительную степень окисления, предпочтительно взаимодействуют с неполяризующимися жёсткими основаниями, такими как F - , ОН - , NR - 2 (R - органический радикал). К жёстким кислотам Льюиса относятся ионы элементов в высших степенях окисления с электронной конфигурацией d 0 или d 10 . Мягкие кислоты Льюиса имеют большой атомный или ионный радиус и низкую степень окисления, более эффективно взаимодействуют с легко поляризующимися мягкими лигандами, такими как SR 2 , PR 3 , I - ,олефины. Мягкие кислоты Льюиса имеют электроны на d-орбиталях, способные к образованию π-связей в результате перекрывания с вакантными d-орбиталями мягких лигандов. Эти же центральные ионы образуют комплексные соединения с олефинами (типа соли Цейзе). Поскольку реакции комплексообразования подразумевают взаимодействие кислот и оснований Льюиса, с увеличением основных свойств лигандов устойчивость комплексов повышается. Лиганды с большей основностью при введении в раствор полностью замещают во внутренней сфере лиганды с меньшей основностью.

Количественной характеристикой устойчивости комплексных соединений служит его константа устойчивости К = /([M][L] n), где [ ML n ], [M], [L] - равновесные концентрации комплекса, комплексообразователя и лиганда соответственно. Для экспериментального определения константы устойчивости применяют физико-химические методы, позволяющие рассчитать равновесные концентрации (рН-метрическое титрование, кондуктометрию, спектрофотометрию, ЯМР-спектроскопию, полярографию, вольтамперометрию и др.).

Свободная энергия Гиббса реакции образования комплекса ΔG 0 связана с К, энтальпийным вкладом (ΔН 0) и энтропийным вкладом (ΔS) соотношением: -RTlnK = ΔG 0 = ΔН 0 - TΔS 0 , где Т - абсолютная температура, R - газовая постоянная. В реакциях комплексообразования энтальпийный вклад обусловлен разностью в суммарной энергии связей исходных частиц и образующегося комплексного соединения; обычно величины ΔН невелики. Энтропийный вклад связан с изменением числа частиц в реакции. Потеря подвижности иона металла и лигандов при соединении их в комплексные соединения обычно компенсируется за счёт высвобождения большого количества молекул растворителя (воды) из сольватных (гидратных) оболочек центрального атома и лигандов. Об устойчивости хелатных комплексных соединений смотри в статье Хелаты.

Комплексные соединения участвуют в реакциях присоединения, замещения или элиминирования лиганда, реакциях изомеризации координационного полиэдра, реакциях связанного лиганда (например, диссоциация, изомеризация лиганда) и реакциях электронного переноса.

Методы синтеза комплексных соединений. В молекуле комплексных соединений можно сочетать различные металлы и лиганды, что позволяет варьировать состав комплексных соединений, их строение и свойства. Используя соответствующую методику синтеза, можно получить комплексные соединения с практически любыми заданными свойствами и в любом агрегатном состоянии. Многочисленные методы синтеза комплексных соединений можно классифицировать по типам реакций, лежащих в их основе (реакции замещения, обмена, окислительно-восстановительные и т.д.). Выбор методики синтеза зависит от природы комплексных соединений (термодинамической устойчивости, кинетической инертности или лабильности) и в соответствии с этим основывается на термодинамических или на кинетических подходах. К группе методов, основанных на термодинамическом подходе, относятся реакции, направление которых определяется термодинамическими факторами: энергетической выгодностью образования продукта реакции по отношению к исходным соединениям (отрицательным изменением энергии Гиббса). В этих методах механизм реакций не играет существенной роли в процессе синтеза. В методах, основанных на кинетическом подходе, строение продукта генеалогически связано с исходными соединениями, синтез протекает в основном с использованием реакций замещения и важную роль играет их механизм. В этом случае образование продукта может быть энергетически выгодно, но возможно и получение метастабильных комплексных соединений, образование которых энергетически менее выгодно по сравнению с другими продуктами.

Специфическим методом получения комплексных соединений является темплатный синтез, когда сложные органические лиганды образуются в процессе взаимодействия иона металла с более простыми органическими соединениями. Ион металла - матрица, на которой закрепляются исходные лиганды, - способствует пространственной ориентации лигандов и тем самым определяет направление реакции их взаимодействия. При отсутствии ионов металла-комплексообразователя реакция не протекает или протекает с малым выходом. Темплатный синтез наиболее эффективен для получения макроциклических лигандов.

Области применения комплексных соединений. Металлоорганические комплексные соединения - один из наиболее перспективных классов химических соединений, на основе которых могут быть созданы молекулярные материалы. Сочетание в одной молекуле ионов металлов и органических лигандов, возможность целенаправленного изменения состава и строения комплексных соединений открывают возможности для создания на их основе молекулярных материалов с широким диапазоном функциональных свойств - оптических, магнитных, электрических и т.д. Комплексные соединения применяют для выделения и очистки платиновых металлов, золота, серебра, никеля, кобальта, меди, в процессах разделения редкоземельных элементов, щелочных металлов и в ряде других технологических процессов. Комплексные соединения используют в химическом анализе для качественного обнаружения и количественного определения многих химических элементов. В живых организмах различные типы комплексных соединений представлены соединениями ионов металлов (Fe, Cu, Mg, Mn, Mo, Zn, Со) с белками (металлопротеиды), витаминами, коферментами, другими веществами, выполняющими специфические функции в обмене веществ. Природные комплексные соединения участвуют в процессах дыхания, фотосинтеза, биологического окисления, в ферментативных процессах.

Комплексные соединения используют в экстракционных и сорбционных процессах разделения и тонкой очистки редких, цветных и благородных металлов, в аналитической химии. Комплексные соединения применяют в качестве селективных катализаторов различных процессов химической и микробиологической промышленности, для создания окислителей на основе фторидов галогенов и благородных газов, в качестве источников Н 2 и О 2 на основе гидридов и кислородсодержащих соединений, в медицине, в том числе в терапии различных видов опухолей, в качестве источника микроэлементов в животноводстве и сельском хозяйстве, для получения тонких покрытий на различных изделиях микроэлектроники для придания антикоррозионных свойств и механической прочности.

Лит.: Яцимирский К. Б. Термохимия комплексных соединений. М., 1951; он же. Введение в бионеорганическую химию. К., 1976; Басоло Ф., Джонсон Р. Химия координационных соединений. М., 1966; Гринберг А. А. Введение в химию комплексных соединений. 4-е изд. Л., 1971; Дей М.-К., Селбин Д. Теоретическая неорганическая химия. М., 1971; Басоло Ф., Пирсон Р. Механизмы неорганических реакций. М., 1971; Кукушкин Ю. Н. Химия координационных соединений. М., 1985; он же. Реакционная способность координационных соединений. Л., 1987; Берсукер И. Б. Электронное строение и свойства координационных соединений. 3-е изд. Л., 1986; Хаускрофт К. Е., Констебл Э. К. Современный курс общей химии. М., 2002. Т. 1-2; Киселев Ю. М., Добрынина Н. А. Химия координационных соединений. М., 2007.

Н. А. Добрынина, Н. П. Кузьмина.

Среди биологически активных веществ, содержащихся в организме, ионы металлов занимают особое место. Так, биокатионы являются наиболее чувствительными "химическими точками" организма. Эти биогенные элементы жизни находятся в организме, главным образом, в виде водных растворов их солей и комплексных (координационных) соединений.

Комплексными соединениями называются соединения, в узлах кристаллической решетки которых находятся сложные частицы (комплексные ионы), состоящие из центрального атома или иона и окружающих его нейтральных молекул или ионов. Комплексные ионы не разрушаются при переходе их в раствор или расплав.

Строение комплексных соединений получило объяснение в координационной теории А. Вернера (1893г). По координационной теории Вернера комплексные соединения характеризуются особым пространственным расположением частиц, составляющих их молекулы. Например: K + | CN - CN - | K +

| CN - Fe 2+ CN - | K 4

K + | CN - CN - | K +

Из приведенной координационной формулы видно, что один из ионов занимает центральное положение. Такой атом или ион называется комплексообразователем . Чаще всего комплексообразователями являются положительно заряженные ионы металлов, чаще металлы побочных подгрупп (d- и f-элементов), значительно реже - нейтральные атомы металлов (Fe, Ni) и отрицательно заряженные атомы неметаллов (N -3 , O -2 , S). Типичными комплексообразователями являются такие металлы, как Fe, Cu, Ag, Au, Hg, Co, Cr, Mn, Cd, Ni, Pt, и др. d- и f-элементы. Вблизи комплексообразователя в определенном порядке расположены полярные молекулы или ионы другого знака, иногда те и другие, их называют лигандами (аддендами), что значит "связанные". Важнейшими лигандами являются:

a) Нейтральные молекулы, имеющие дипольный характер: H 2 O, NH 3 , CO, NO, C 2 H 4 .

б) Ионы: H - , O -2 , OH - , Cl - , J - , Br - , CN - , HCO 3 - , а также биолиганды в виде макромолекул аминокислот и их производных, пептидов, белков, ферментов, гормонов, нуклеиновых кислот и их фрагментов.

Комплексообразователь и лиганды образуют внутреннюю сферу (обозначается квадратными скобками), а ионы, не вошедшие во внутреннюю сферы, образуют внешнюю сферу. Внутреннюю сферу часто заключают в квадратные скобки. Заряд комплексного иона равен алгебраической сумме зарядов комплексообразователя и лигандов. Число лигандов, располагающихся в непосредственной близости от центрального иона, называютсякоординационным числом иона (к.ч.). Часто встречаются координационные числа 2, 4, 6. Обычно координационное число в два раза больше заряда комплексообразователя, исключением является ион Fe 2+ , для которого к.ч. равно 6, для Pt 4+ - 6.

Если лиганды связаны с комплексообразователем одной связью и занимают одно координационное место во внутренней сфере комплекса, такие лиганды называются монодентантными (OH - , Cl - , J - , Br - , CN), две - бидентантными (CO 3 2- , С 2 О 4 2-) - они занимают 2 координационных места. Некоторые лиганды присоединяются к центральному иону и большим числом координационных связей. Так, среди сложных органических соединений есть такие, которые могут выступать в роли три, тетра - и более - их называют полидентантными. Полидентантные органические лиганды, замыкаясь двумя или несколькими координационными связями, могут образовывать циклические комплексы.

Молекулы комплексных соединений отличаются вполне определенной геометрической структурой. Так, два лиганда часто располагаются около иона металла таким образом, что центральный ион и 2 лиганда оказываются на одной прямой. Три лиганда размещаются по углам треугольника, четыре - по углам квадрата или четырехгранника (тетраэдра), шесть - по углам восьмигранника (октаэдра), восемь - по углам куба. Если лиганды неодинаковы, то геометрические формы могут быть и не совсем правильными (искаженными), но, тем не менее, лиганды остаются фиксированными в определенных точках пространства вокруг центрального иона.

Комплексные соединения классифицируют по заряду комплексного иона и по типу лигандов. По заряду комплексного иона комплексы бывают катионными (комплекс с положительным зарядом), анионными (комплекс с отрицательным зарядом), нейтральными (комплекс с нулевым зарядом).

По типу лигандов комплексы бывают: ацидокомплексы, - лигандами являются остатки кислот (Cl - , J - , Br - , CN - , HCO 3 - , CO 3 2- , С 2 О 4 2-); гидроксикомплексы (ОН -); аквакомплексы (H 2 O); аминокомплексы (NH 3); смешанные, когда в комплекс входят несколько типов лиганд.

Отсюда, для правильного написания формулы комплексного соединения нужно знать: заряд (степень окисления) комплексообразователя; заряд лигандов; координационное число комплексообразователя; ионы внешней сферы.

При написании формул комплексного иона первым указывается символ комплексообразователя, затем указываются нейтральные лиганды в порядке H 2 O, NH 3 . После нейтральных лигандов следуют анионные лиганды. Анионные лиганды перечисляются в порядке: Н - , О -2 , ОН - , простые анионы, сложные анионы неорганических кислот, анионы органических кислот.

Формулы комплексных соединений читают строго справа налево, соблюдая в формуле порядок расположения лигандов. В названиях комплексных соединений сначала называют анион в именительном падеже, а затем катион в родительном падеже.

I. Если в соединение входит комплексный катион , то сначала называют лиганды по порядку расположения в комплексе, после чего следует название комплексообразователя (русское название элемента). В скобках римскими цифрами показывают степень окисления комплексообразователя. Нейтральные молекулы, выступающие в качестве лигандов, имеют свое обычное название, кроме аммиака - амин, воды - аква, СО - карбонил, NO - нитрозил. Отрицательно заряженные лиганды называют с окончанием на «о». Например, Н - - гидридо, О -2 - оксо, ОН - - гидроксо, F - - фторо, Cl - - хлоро, S -2 - тио, CN - - циано, SO 4 -2 - сульфато, СН 3 СОО - - ацетато, CNS - - тиоцианато, С 2 О 4 -2 - оксалато. Если лигандов несколько, то вначале называют ион внешней сферы, затем лиганды греческими числами: - 2-ди, 3-три и т.д.

Например: названия комплексных катионов

[Со Н 2 О (NH 3) 5 ] Cl 3 - хлорид пентаамминаквакобальта (III)

Cl 3 - хлорид хлоропентаамминплатины (IV)

NO 3 - нитрат гидроксодиамминакваплатины (II)

SO 4 - сульфат тетрааквамеди (II)

II. Если в соединение входит комплексный анион , то сначала называют лиганды по указанному выше порядку. Далее называют комплексообразователь, используя корень его латинского названия с добавлением слога – «ат», после чего в скобках римскими цифрами указывают степень окисления комплексообразователя. В последнюю очередь называется катион внешней сферы в родительном падеже. Например:

K - дицианоаргентат (I) калия

K 2 - тетрахлорокупрат (II) калия

K 3 - гексацианоферрат (III) калия

K 2 - динитродихлороплатинат (IV) калия

Наименование нейтральных комплексов составляются из названия лигандов и русского названия комплексообразователя в именительном падеже. При этом валентность комплексообразователя не указывается. Например: - трихлоротриамминкобальт.

Тетрахлородиамминплатина.

Внутренняя и внешняя сфера в молекулах комплексных соединений связана ионной связью. Комплексообразователь и лиганды связаны ковалентной связью по донорно-акцепторному механизму: лиганды играют роль донора электронной пары, а комплексообразователь - роль акцептора , на свободной орбитали которого располагается электронная пара лиганда.

Диссоциация комплексных соединений идет в две ступени. Первичная диссоциация комплексных соединений идет по типу ионизации сильных электролитов и протекает нацело: Cl → + + Cl -

Лиганды с комплексообразователем связаны более прочной связью и диссоциация комплексного иона протекает в меньшей степени. Этот вид диссоциации называется вторичной .

+ → Ag + + 2NH 3

Мерой устойчивости комплексного иона служит его константа нестойкости и обозначается К н.

Чем меньше константа нестойкости, тем устойчивее комплекс.

Комплексные соединения играют огромную роль в процессах жизнедеятельности растений и животных. В организме животных и растений комплексные соединения выполняют самые разнообразные функции: накопление и перемещение различных веществ и энергии; образование и расщепление химических связей; участие в процессах дыхания, фотосинтеза, биологического окисления и ферментативном катализе. Такие важнейшие в биологическом отношении вещества, как гемоглобин, хлорофилл, цианкоболамин, являются внутрикомплексными, хелатными соединениями. В них четыре координационных места занимает одна частица, называемая порфином, а комплексообразователем в гемоглобине является - Fe +2 , а в хлорофилле - Mg 2 , в витамине B 12 - Cо +3 .

Комплекс железа с порфирином имеет плоское строение, в котором ион железа соединен 4 координационными связями с 4 пиррольными кольцами, 5 связь идет на присоединение белка глобина, но шестое место в координационной сфере свободно. Это место и занимает молекула кислорода, переносимого гемоглобином в процессе дыхания.

В последнее время установлено, что комплексные соединения платины и палладия оказывают тормозящее действие на развитие злокачественных опухолей и с успехом могут применяться для терапевтических целей, образование хелатных (внутрикомплексных) соединений, используются при растворении солей в почечных камнях и снижении жесткости воды, обусловленной присутствием ионов кальция и магния. Известна высокая бактерицидная активность некоторых комплексных соединений серебра. Трилон Б (ЭДТА) способен образовывать комплексы со многими металлами, в том числе с Са +2 . Это дает возможность применять его при заболеваниях, сопровождающихся избыточным отложением солей кальция в организме.

Биогенные элементы

Изучение распространенности отдельных элементов и их изотопов позволяет отметить следующие закономерности.

1. Элементы с чётными порядковыми номерами характеризуются повышенной распространенностью. На Земле содержание чётных элементов составляет 97,21 % от массы всех элементов.

2. Наиболее распространены элементы, изотопы которых имеют массовое число, кратное 4. Примерами таких элементов могут служить He, O, Ne, Si, S, Ar, Fe, Ni и др.

На Земле непрерывно происходят ядерные процессы, ведущие, в конечном счёте, к изменению их изотопного состава. Однако, все эти процессы идут медленно. Результаты анализа вещества земной коры показывают, что изотопный состав элементов на Земле практически постоянен. Первые исследования о взаимосвязи земной коры и химического состава живых организмов сделаны русским учёным В.И Вернадским. Он, считал, что земная кора и живые организмы составляют единую систему. Единство живого и неживого заключается, прежде всего, в общности их элементарного состава. Вещества живой и неживой природы состоят из одних и тех же химических элементов, связанных ковалентной, ионной, водородной связями.

В результате длительного непрерывного воздействия на организм определённого по химическому составу потока атомов происходит подбор и распределение организмов по разным зонам Земли, а наряду с этим наступает и изменчивость организмов. Так, например, недостаточность йода в гористых местностях и по долинам рек, вызывает увеличение щитовидной железы и зоб у животных и человека. С ростом цивилизации в организм человека поступает всё больше биологически активных ненужных веществ, таких как: ртуть (из зубных пломб), свинец, сурьма, мышьяк (из газет), ионы металлов (из кухонной посуды).

Исследования учёных США указали на недостаток хрома в тканях организма жителей, в сравнении с обитателями Африки и Азии. Это вызвано излишком рафинированного сахара и других очищенных продуктов в рационе человека. Недостаток хрома объясняет рост числа сердечных заболеваний.

Элементы, играющие важную роль в физиологических и патологических процессах, в организме человека называются

менее 10 -5

В зависимости от строения (электронной конфигурации) атома, биогенные элементы подразделяются на s, p, d -биоэлементы.

s-элементы ns 2: H, Na, Mg, Ca, Sr, Ba (6)

p-элементы ns 2 np 1-6: Al, C, Si, Sn, Pb, N, P, O, S, Se, F, Cl, I, Br, B (15)

d-элементы (n-1)d 1-10 ns 2: Cu, Zn, Cr , Mn, Fe, Co, Ni (7)

Соединения типа ВF 3 , СН 4 , NН 3 , Н 2 О, СО 2 и др., в которых элемент проявляет свою обычную максимальную валентность, называются валентно-насыщенными соединениями или соединениями первого порядка . При взаимодействии соединений первого порядка друг с другом образуются соединения высшего порядка. К соединениям высшего порядка относятся гидраты, аммиакаты, продукты присоединения кислот, органических молекул, двойные соли и многие др. Примеры образования комплексных соединений:

PtCl 4 + 2KCl = PtCl 4 ∙2KCl или K 2

CoCl 3 + 6NH 3 = CoCl 3 ∙6NH 3 или Cl 3 .

А. Вернер ввел в химию представления о соединениях высшего порядка и дал первое определение понятию комплексного соединения. Элементы после насыщения обычных валентностей способны проявлять еще и дополнительную валентность – координационную . Именно за счет координационной валентности и происходит образование соединений высшего порядка.

Комплексные соединения – сложные вещества, в которых мож­но выделить центральный атом (комплексообразователь) и связанные с ним молекулы и ионы – лиганды.

Центральный атом и лиганды образуют комплекс (внутреннюю сферу), который при записи формулы комплексного соединения заключают в квадратные скоб­ки. Число лигандов во внутренней сфере называется координацион­ным числом. Молекулы и ионы, окружающие комплекс, образуют внешнюю сферу. Пример комплексной соли гексацианоферрат (III) калия К 3 (так называемая красная кровяная соль).

Центральными атомами могут быть ионы переходных металлов или атомы некоторых неметаллов (Р, Si). Лигандами могут служить анионы галогенов (F – , Cl – , Br – , I –), ОН – , СN – , СNS – , NO 2 – и др., нейтральные молекулы Н 2 О, NH 3 , СО, NO, F 2 , Cl 2 , Br 2 , I 2 , гидразин N 2 H 4 , этилендиамин NH 2 –CH 2 –CH 2 –NH 2 и др.

Координационная валентность (КВ) или координационное число – число мест во внутренней сфере комплекса, которые могут быть заняты лигандами . Координационное число обычно больше степени окисления комплексообразователя, зависит от природы комплексообразователя и лигандов. Чаще встречаются комплексные соединения с координационной валентностью 4, 6 и 2.

Координационная емкость лиганда – число мест во внутренней сфере комплекса, занимаемых каждым лигандом. Для большинства лигандов координационная емкость равна единице, реже 2 (гидразин, этилендиамин) и более (ЭДТА - этилендиамминтетраацетат).

Заряд комплекса должен быть численно равен суммарному заряду внешней сферы и противоположным ему по знаку, но существуют и нейтральные комплексы. Степень окисления комплексообразователя равна и противоположна по знаку алгебраической сумме зарядов всех остальных ионов.

Систематические названия комплексных соединений формируются следующим образом: вначале называется в именительном падеже анион, затем раздельно в родительном падеже – катион. Лиганды в комплексе перечисляются слитно в следующем порядке: а) анионные; б) нейтральные; в) катионные. Анионы перечисляются в порядке H – , О 2– , ОН – , простые анионы, полиатомные анионы, органически анионы – в алфавитном порядке. Нейтральные лиганды называются так же, как молекулы, за исключением Н 2 О (аква) и NH 3 (аммин); к отрицательно заряженным ионам прибавляют соединительную гласную «о ». Число лигандов указывают приставками: ди-, три, тетра-, пента-, гекса- и т.д. Окончанием для анионных комплексов является «-ат » или «‑овая », если называется кислота; для катионных и нейтральных комплексов типичных окончаний нет.

H – тетрахлороаурат (III) водорода

(ОН) 2 – гидроксид тетраамминмеди (II)

Cl 4 – хлорид гексаамминплатина (IV)

– тетракарбонилникель

– гексацианоферрат (III) гексаамминкобальта (III)

Классификация комплексных соединений основана на различных принципах:

По принадлежности к определенному классу соединений :

- комплексные кислоты – H 2 , H 2 ;

- комплексные основания – (ОН) 2 ;

- комплексные соли – Li 3 , Cl 2 .

По природе лигандов:

- аквакомплексы (лигандами выступает вода) – SO 4 ∙H 2 O, [Со(Н 2 О) 6 ]Сl 2 ;

- аммиакаты (комплексы, лигандами в которых служат молекулы аммиака) – [Сu(NH 3) 4 ]SO 4 , Cl;

- ацидокомплексы (оксалатные, карбонатные, цианидные, галогенидные комплексы, содержащие в качестве лигандов анионы различных кислот) – K 2 , K 4 ;

- гидроксокомплексы (соединения с ОН-группами в виде лигандов) – К 3 [Аl(ОН) 6 ];

- хелатные или циклические комплексы (би- или полидентатный лиганд и центральный атом образуют цикл) – комплексы с аминоуксусной кислотой, ЭДТА; к хелатам относят хлорофилл (комплексообразователь – магний) и гемоглобин (комплексообразователь – железо).

По знаку заряда комплекса : катионные, анионные, нейтральные комплексы.

Особую группу составляют сверхкомплексные соединения. В них число лигандов превышает координационную валентность комплексообразователя. Так, в соединении CuSO 4 ∙5Н 2 О у меди координационная валентность равна четырем и во внутренней сфере координированы четыре молекулы воды, пятая молекула присоединяется к комплексу при помощи водородных связей: SO 4 ∙Н 2 О.

Лиганды связаны с центральным атомом донорно-акцепторной связью. В водном растворе комплексные соеди­нения могут диссоциировать с образованием комплексных ионов:

Cl ↔ + + Cl –

В незначительной степени, происходит диссоциация и внутренней сферы комплекса:

+ ↔ Ag + + 2NH 3

Мерой прочности комплекса есть константа нестойкости комплекса :

К нест + = C Ag + ∙ C2 NH 3 / C Ag(NH 3) 2 ] +

Вместо константы неустойчивости иногда пользуются обратной величиной, называемой константой устойчивости:

К уст = 1 / К нест

В умеренно разбавленных растворах многих комплексных солей существуют как комплексные, так и простые ионы. Дальнейшее разбавление может приводить к полному распаду комплексных ионов.

По простой электростатической модели В.Косселя и А.Магнуса, взаимодействие между комплексообразователем и ионными (или полярными) лигандами подчиняется закону Кулона. Устойчивый комплекс получается когда силы притяжения к ядру комплекса уравновешивают силы отталкивания между лигандами. Прочность комплекса увеличивается с ростом заряда ядра и уменьшением радиуса комплексообразователя и лигандов. Электростатическая модель очень наглядна, однако не в состоянии объяснить существование комплексов с неполярными лигандами и комплексообразователем в нулевой степени окисления; чем обусловлены магнитные и оптические свойства соединений.

Наглядным способом описания комплексных соединений является метод валентных связей (МВС), предложенный Полингом. В основе метода лежит ряд положений:

Связь между комплексообразователем и лигандами донорно-акцепторная. Лиганды предоставляют электронные пары, а ядро комплекса – свободные орбитали. Мерой прочности связи служит степень перекрывания орбиталей.

Орбитали центрального атома, участвующие в образовании связей, подвергаются гибридизации. Тип гибридизации определяется числом, природой и электронной структурой лигандов. Гибридизация электронных орбиталей комплексообразователя определяет геометрию комплекса.

Дополнительное упрочнение комплекса обусловлено тем, что наряду с σ-связями могут возникать и π-связи.

Магнитные свойства, проявляемые комплексом, объясняются исходя из заселенности орбиталей. При наличии неспаренных электронов комплекс парамагнитен. Спаренность электронов обусловливает диамагнетизм комплексного соединения.

МВС пригоден для описания только ограниченного круга веществ и не объясняет оптические свойства комплексных соединений, т.к. не учитывает возбужденные состояния.

Дальнейшим развитием электростатической теории на квантово-механической основе является теория кристаллического поля (ТКП). Согласно ТКП, связь между ядром комплекса и лигандами ионная или ион-дипольная. Основное внимание ТКП уделяет рассмотрению тех изменений, которые происходят в комплексообразователе под влиянием поля лигандов (расщепление энергетических уровней). Представление об энергетическом расщеплении комплексообразователя может быть использовано для объяснения магнитных свойств и окраски комплексных соединений.

ТКП приложима лишь к комплексным соединениям, в которых комплексообразователь (d -элемент) имеет свободные электроны, и не учитывает частично ковалентный характер связи комплексообразователь-лиганд.

Метод молекулярных орбиталей (ММО) учитывает детальную электронную структуру не только комплексообразователя, но и лигандов. Комплекс рассматривается как единая квантово-механическая система. Валентные электроны системы располагаются на многоцентровых молекулярных орбиталях, охватывающих ядра комплексообразователя и всех лигандов. Согласно ММО, рост энергии расщепления обусловлен дополнительным упрочнением ковалентной связи за счет π-связывания.

Чтобы дать более-менее точное определение того, что представляют собой комплексные соединения, современной химии приходится опираться на основные положения координационной теории, которая была предложена А. Вернером ещё в 1893 г. Сложность данного вопроса заключается в разнообразии и многочисленности самых различных химических соединений, подпадающих под определение комплексных.

В общих чертах комплексные соединения - это в составе которых находится ряд комплексных частиц. До сих пор наука не располагает строгим определением понятия «комплексная частица». Зачастую пользуются следующим определением: под комплексной частицей понимают сложную частицу, которая способна самостоятельно существовать как в кристалле, так и в растворе. Она состоит из других простых частиц, которые в свою очередь обладают способностью существовать самостоятельно. Также зачастую под определение комплексных частиц подпадают сложные химические частицы, в которых все связи или их часть образованы по донорно-акцепторному принципу.

Общей чертой, которой обладают все комплексные соединения, является наличие в их структуре центрального атома, получившего наименование «комплексообразователь». Учитывая многообразие, которым обладают эти соединения, говорить о каких-то общих чертах этого элемента не приходится. Зачастую комплексообразователь представляет собой атом, образующий металл. Но это не является строгим признаком: известны комплексные соединения, в которых центральный атом является атомом кислорода, серы, азота, йода и других элементов, представляющих собой яркие неметаллы. Говоря о заряде комплексообразователя, можно сказать, что в основном он положительный, и в научной литературе получил название металлоцентра, но известны примеры, когда центральный атом имел и отрицательный заряд, и даже нулевой.

Соответственно изолированные группы атомов или отдельные атомы, которые расположились вокруг комплексообразователя, именуются лигандами. Это могут быть и частицы, которые до вхождения в состав комплексного соединения представляли собой молекулы, к примеру, воды (H2O), (CO), азота (NH3) и многие другие, также это могут быть анионы OH−, PO43− , Cl−, или катион водорода H+.

Попытка классифицировать комплексные соединения по типу заряда комплекса разделяет эти химические соединения на катионные комплексы, которые образованы вокруг положительно заряженного иона нейтральных молекул. Также имеются анионные комплексы, комплексообразователем в которых является атом с положительной Простые и сложные анионы являются лигандами. Отдельной группой можно выделить нейтральные комплексы. Их образование происходит путём координации вокруг нейтрального атома молекул. Также к этому разряду комплексных веществ относят соединения, образованные путём одновременной координации вокруг положительно заряженного иона и молекул, и отрицательно заряженных ионов.

Если учитывать количество мест, занимаемых лигандами в так называемой координационной сфере, то определяют монодентатные, бидентантые и полидентатные лиганды.

Получение комплексных соединений различными способами позволяет производить классификацию по природе лиганда. Среди них различают аммиакаты, в которых лиганды представлены молекулами аммиака, аквакомплексы, где лигандами является вода, карбонилы - оксид углерода играет роль лиганда. Кроме того существуют ацидокомплексы, в которых центральный атом окружают кислотные остатки. Если его окружают гидроксид-ионы, то соединения относят к гидроксокомплексам.

Комплексные соединения играют важную роль в природе. Без них невозможна жизнедеятельность живых организмов. Также применение комплексных соединений в деятельности человека позволяет осуществлять сложные технологические операции.

Аналитическая химия, добыча металлов из руд, гальванопластика, производство лаков и красок - это только краткий перечень отраслей, в которых нашлось применение комплексным химическим веществам.