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配位键的表示:
如下图所示,我们用箭头表示配位键。
箭头发自提供电子对的原子,指向接受电子对的原子。
配位键
形成配合物的条件:
中心原子有空轨道,配体有孤对电子。
配位键的存在是配合物与其它物质最本质的区别。
2.配合物的组成
配合物一般由两部分组成:
内界和外界。
例如:
[Cu(NH3)4]SO4
内界外界
具有一定稳定性的结构单元称为配合物的内界,用一中括号表示出来,其余部分称为配合物的外界。
上述配合物的内界为配阳离子。
又如:
K3[Fe(CN)6]
外界内界
内界是配阴离子。
配合物的内界和外界以离子键相结合。
如果配合物的内界是中性分子,如[PtCl2(NH3)2]、[PtCl4]等,则这类配合物无外界。
(1)中心原子(中心离子)
a.定义:
配合物的形成体,形成体是配合物的核心部分,它位于配位单元的中心位置,提供接受孤电子对或不定域电子的空轨道。
过渡金属阳离子
电中性金属原子
b.中心原子类型阴离子如I5-{[I(I2)2]-}
高氧化态的P区非金属元素例:
[SiF6]2-
C.根据中心原子的数目对配合物的分类:
单核配合物:
含有一个中心原子的配合物。
多核配合物:
含有两个或两个以上中心原子的配合物。
(2)配位体和配位原子
a.定义:
在配合物中,与中心离子(或原子)相结合的、提供孤对电子或多个不定域电子的离子或分子,称为配位体,简称配体。
在每个配位体中,直接提供孤电子对的原子称为配位原子。
例如,NH3分子的N原子是配位原子。
通常能做配位原子的元素多为非金属原子。
b.配位体分类:
按照配位原子种类的不同,可把配体分为以下几种:
含氮配体如NH3、NO(亚硝基)、NO2(硝基)等。
含氧配体如H2O、OH-、无机含氧酸根如CO32-、ONO-(亚硝酸根)、R—OH(醇)、R
—O—R(醚)、R—COOH(羧基)等。
含碳配体如CN、CO(羰基)等。
含硫配体如S2-、SCN-(硫氰酸根)、RSH(硫醇)、R2S(硫醚)
含磷配体如PH3、PR3(膦)、PF3、PCl3、PBr3等。
卤素配体如F-、Cl-、Br-、I-等。
按配体中所含配体原子的数目,又可分为单齿配体和多齿配体两大类:
单齿配体只含有一个配位原子的配体,叫做单齿配体,又称单基配体包括F-、Cl-、OH-、CN-等负离子和NH3、H2O、CO等中性分子。
中性分子配体和含有负离子配体的化合物,如NH3、CO、NH4F、NaCl、KCN等统称为配位剂。
多齿配体含有两个或两个以上配体原子并能同时和一个中心离子相结合的配体称为多齿配体,又称为多基配体。
例如乙二胺(en)H2N—CH2—CH2—NH2、氨三乙酸根。
由多齿配体形成的配合物又被形象地叫做螯合物。
螯合剂:
提供螯合物配体的试剂。
(3)配位数
直接与中心离子(或原子)结合的配位原子的数目称为该中心离子(或原子)的配位数。
配位数的计算:
①配位离子(或分子)中的配体都是单齿配位时,则配位数与配位体的数目相同。
例如在[Cu(NH3)4]²
+配阳离子中,Cu2+的配位数为4;
在[Fe(CN)6]3-配位离子中,Fe3+的配位数为6;
在[PtCl2(NH3)2]配位分子中,Pt的配位数为4。
②配位离子(或分子)中含有多齿配体时,则配位数与配体的数目不相同。
例如在[Cu(en)2]2+配阳离子有两个双齿配体,因此中心离子Cu2+的配位数为4;
[Fe(en)3]3+配阳离子中,中心离子Fe3+的配位数为6;
[CrCl2(en)2]+配阳离子中含有两个双齿配体和两个单齿配体,因此中心离子Cr3+的配位数为6。
应当着重指出,计算中心离子的配位数时,不能只看化合物的组成,更要看实际配位的情况,不能从表面观察,冒然下结论。
要根据实验事实来确定配位数。
Cs3CoCl5表面上猛一看可能认为Co2+离子的配位数是为5,实际上它的化学实验式经实验确定为Cs2[CoCl4]CsCl,所以Co2+离子的配位数是4而不是5。
影响配位数大小的因素:
①中心离子的性质对配位数的影响
(i)中心离子的电荷数越高,吸引配体的能力越强,容易形成高配位数,例如,Pt4+易形成6配位[PtCl6]2-,而Pt2+易形成4配位[PtCl4]2-;
Cu2+易形成4配位[Cu(CN)4]2-,而Cu+易形成2配位[Cu(CN)2]-。
(ⅱ)中心离子半径较大是在它的周围可容纳较多的配体,易形成配位体。
例如Al3+与B3+价态相同,但离子半径前者(50pm)大于后者(20pm),因此它们与F-分别形成的配位离子为[AlF6]3-和[BF4]-。
但是中心离子的半径过大又削弱了它对配位体的吸引力。
反而会降低配位数。
例如IIB族的Cd2+离子半径为97pm,它与Cl-离子可形成6配位的[CdCl6]4-配离子,而半径较大的Hg2+(101pm)只能形成4配位的[HgCl4]2-配离子。
②配体的性质对配位数的影响
在一般情况下配离子的中心离子都是金属阳离子,当配体带有较多的负电荷时,一方面增加了中心离子与配体的静电引力,但另一方面又增加了配体之间的斥力,有时配位数会降低。
例如,对Co2+来说,它同配体CN-可形成6配位的[Co(CN)6]4-配离子,而同配体SO42-只能形成4配位的[Co(SO4)2]2-配离子。
配体的半径较大时,在同一中心离子周围所能容纳的配体的数目减少,故配位数降低。
例如,Al3+同卤数离子形成配合物时,与半径较小的F-可形成6配位的[AlF6]3-,而与半径较大的Cl-、Br-、I-则形成4配位的[AlCl4]-、[AlBr4]-和[AlI4]-。
(4)配离子的电荷
配离子所带的电荷数等于中心离子电荷数与配体总电荷数的代数和。
3.配合物的类型
简单配合物
按配位方式分类
螯合物
单核配合物
按所含中心原子数目分类
多核配合物
简单配合物:
中心原子与单齿配体键合形成的配合物。
如:
[Cu(NH3)4]2+
螯合物:
多齿配体有两个或两个以上的配位原子与1个中心原子直接键合形成具有环状结构的配合物。
[Cu(en)2]2+
根据螯合物的形成条件,凡含有两个或两个以上能提供孤电子对的原子的配位体称为螯合剂,因此,螯合剂为多齿配位体(也称多基配位体)。
螯合物的稳定性和它的环状结构(环的大小和环的多少)有关。
一般来说以五元环、六元环稳定。
多于五或六元环的配合物一般都是不稳定的,而且很少见。
一个配位体与中心离子形成的五元环的数目越多,螯合物越稳定。
如钙离子与EDTA形成的螯合物中有五个五元环,因此很稳定。
金属螯合物与具有相同配位原子的非螯合配合物相比,具有特殊的稳定性。
这种特殊的稳定性是由于环形结构形成而产生的。
我们把这种由于螯合物具有的特殊稳定性称为螯合效应。
由于Ca2+,Mg2+离子都能与三聚磷酸钠形成稳定螯合物,所以常把三聚磷酸钠加入锅炉水中,用以防止钙、镁形成难溶盐沉淀,结在锅炉内壁。
螯合物稳定性高,很少有逐级解离现象。
且一般有特征颜色,几乎不溶于水,而溶于有机溶剂。
利用这些特点可以进行沉淀溶剂萃取分离,比色定量等方面工作。
12.1.2复盐与配合物的区别
复盐:
由两种或两种以上的盐组成的盐。
KMgCl3·
3H2O(光卤石)、KAl(SO4)2·
12H2O(明矾)、Na3AlF6(冰晶石)、Ca5(PO4)3F(磷灰石)、Al2(SiO4)F2(黄玉)等。
络盐:
如果一种复盐在其晶体中和水溶液中都有络离子存在,属于配合物,称为络盐。
例如,一种铑的红色复盐,组成为CsRh(SO4)·
4H2O,易溶于水,加入BaCl2,短时间无沉淀,其水溶液中主要组分为[Rh(H2O)4(SO4)2]-和Cs+,前者也存在于晶体中。
12.1.3配合物的命名
配合物的命名法服从一般无机化合物的命名原则,如果配合物中的酸根是一个简单的阴离子,则称某化某,如[Co(NH3)6]Cl3称三氯化六氨合钴(Ⅲ)。
如果是一个复杂的阴离子,则称某酸某,如[Cu(NH3)4]SO4称硫酸四氨合铜(II)。
若外界为氢离子,配阴离子的名称之后用酸字结尾,如H2[PtCl6]称六氯合铂(IV)酸。
若外界为氢氧根离子则称氢氧化某,如[Cu(NH3)4](OH)2称为氢氧化四氨合铜(II)。
配合物的命名与一般无机化合物的命名相比,复杂的地方在于配合物的内界。
配合物内界即配离子,其命名方法一般按照如下顺序:
配体数----配体名称(不同配体名称之间以中圆点(·
)分开)——“合”字——中心离子名称——中心离子氧化态(用带圆括号的罗马数字表示)。
现举实例加以说明:
1.配阴离子配合物的命名
氢配酸的命名次序是:
⑴阴配离子,⑵中性分子配体,(3)中心离子,(4)词尾用氢酸,氢字通常略去。
例如,H[PtCl3(NH3)]称三氯一氨合铂(II)氢酸,或略去氢字称三氯一氨合铂(II)酸。
氢配酸盐的命名次序同上,但词尾用酸而不用氢酸,酸字后面再附上金属名称。
K3[Fe(CN)6]六氰合铁(III)酸钾;
Cu2[SiF6]六氟合硅(IV)酸亚铜;
K2[Co(SO4)2]二硫酸根合钴(II)酸钾。
2.含配阳离子配合物的命名
命名次序是:
(1)外界阴离子,
(2)阴离子配体,(3)中性分子配体,(4)中心离子。
[Pt(NH3)6]Cl4四氯化六氨合铂(Ⅳ);
[Co(NH3)5(H2O)]Cl3三氯化五氨•一水合钴(Ⅲ);
[CrCl2(H2O)4]Cl•2H2O二水合一氯化二氯•四水合铬(Ⅲ)。
中性配合物的命名次序是:
⑴阴配离子,⑵中性分子配体,(3)中心离子。
[PtCl2(NH3)2]二氯•二氨合铂(Ⅱ);
[CoCl3(NH3)3]三氯•三氨合钴(Ⅲ);
[Ni(CO)4]四羰基合镍(0)。
若配离子中的配体不止一种,在命名时配体列出的顺序应按如下规定:
⑴在配离子中如既有无机配体又有有机配体时,则无机配体排列在前,有机配体列在后。
书写时把有机配体置于圆括号中。
⑵在有多种无机配体和有机配体时,应先列出阴离子配体,后列出中性分子配体。
K[PtCl3NH3]三氯•一氨合铂(Ⅱ)酸钾;
[Co(N3)(NH3)5]SO4硫酸叠氮•五氨合钴(Ⅲ)。
⑶同类配体的名称,按配位原子元素符号的英文字母顺序排列。
[Co(NH3)5H2O]Cl3三氯化五氨•一水合钴(Ⅲ)
⑷同类配体中若配位原子相同,则将含较少原子数的配体排在前面,较多原子数的配体列后。
[PtNO2NH3NH2OH(Py)]Cl氯化硝基•氨•羟胺•吡啶合铂(Ⅱ)
⑸若配位原子相同,配体中含原子的数目也相同,则按在结构式中与配位原子相连的原子的元素符号的字母顺序排列。
[PtNH2NO2(NH3)2]氨基•硝基•二氨合铂(Ⅱ)
3.多核配合物:
μ作词头,连接桥基。
[(NH3)5-Cr-O-Cr-(NH3)5]X4
卤化-μ-氧基十氨合二铬(Ⅲ)
12.2配位化合物在水溶液中的稳定性
12.2.1配位平衡及其平衡常数
配合物的内界与外界之间是以离子键结合在一起的,因此在水溶液中配合物完全离解为配离子和外界离子。
如[Cu(NH3)4]SO4溶于水时完全离解为[Cu(NH3)4]2+和SO42-。
向该溶液中加入少量Ba2+,可以观察到白色的BaSO4沉淀产生,而加入NaOH溶液却并无Cu(OH)2沉淀产生。
但若加入Na2S溶液,则有黑色的CuS沉淀产生(
(Cu(OH)2)=2.2×
10-20,
(CuS)=6.3×
10-36)。
这说明[Cu(NH3)4]2+在水溶液中像弱电解质一样,能部分离解出极少量的Cu2+离子。
在[Cu(NH3)4]SO4溶液中,存在着如下平衡:
该离解反应在一定条件下达平衡状态,称为配位平衡。
1.配合物的稳定常数与不稳定常数
根据平衡移动原理,对于上述离解反应,其标准反应平衡常数表达式为:
=
=4.79×
10-14
这个平衡常数称为配离子的不稳定常数,又称离解常数,通常用
来表示。
越大,表示配离子越不稳定,在溶液中也越容易离解。
是表征配离子的离解平衡的,通常也以配离子形成反应的标准反应平衡常数来表征配离子的稳定性。
其标准反应平衡常数称为配合物的稳定常数,又称形成常数,通常以
表示。
越大,表示配离子越容易形成,配离子越稳定。
显然,不稳定常数和稳定常数表示的是同一事物的两个方面,它们互为倒数。
即
在溶液中,配离子的生成和离解都是分级进行的,这类似于多元弱酸的逐级离解和生成反应。
每一级反应都有一个相应的平衡常数,称为配离子的逐级稳定或离解常数。
仍以[Cu(NH3)4]2+的离解为例,则有:
=
=5.01×
10-3
=9.12×
10-4
=2.14×
=4.90×
10-5
、
称为配离子的逐级不稳定常数。
并且:
·
同理可以推得总稳定常数与逐级稳定常数的关系。
一些常见配离子的不稳定常数列于附录中。
不稳定常数(或稳定常数)是配合物的一个重要性质,配合物的不稳定常数大都是由实验测得的。
2.配合物稳定常数的应用
(1)比较同类型配合物的稳定性
对同类型的配合物,即配位体数目相同的配合物,
越大,配合物稳定性越强。
[Ag(NH3)2]+
=1.7×
107
[Ag(CN)2]-
=5.6×
1018
很明显,[Ag(CN)2]-比[Ag(NH3)2]+稳定得多。
对于不同类型的配合物,不能通过简单比较
大小的方法比较两者的稳定性,而只能通过计算,求出中心离子的浓度,从而比较其稳定性。
(2)计算配合物溶液中各种组分的浓度。
例12-1室温下,将0.02mol/L的CuSO4溶液与0.28mol/L的氨水等体积混合,当溶液达配位平衡时,求溶液中Cu2+、NH3·
H2O、[Cu(NH3)4]2+的浓度各为多少?
(已知
([Cu(NH3)4]2+)=2.09×
1013。
)
解:
两种溶液等体积混合后,浓度均变为原来的一半,即c(Cu2+)=0.01mol/L,c(NH3·
H2O)=0.14mol/L。
因为
=2.09×
1013,数值较大且氨水过量较多,可假定Cu2+全部转化为[Cu(NH3)4]2+,溶液中存在的少量Cu2+由[Cu(NH3)4]2+解离而得:
设溶液达平衡后,Cu2+的浓度为xmol/L,则
平衡浓度/(mol/L)0.01-xx0.10+4x
代入稳定常数表达式,得:
=
=2.09×
1013
由于稳定常数数值很大,且氨水过量,所以[Cu(NH3)4]2+解离度很小,可近似认为
0.10+4x≈0.10,0.01–x≈0.01。
则
x=4.8×
10-12
溶液达配位平衡后,溶液中各组分的浓度:
c(Cu2+)=4.8×
10-12mol/L,c(NH3·
H2O)=0.10mol/L,c([Cu(NH3)4]2+)=0.01mol/L。
12.2.2配位平衡的移动
配合平衡与其它化学平衡的一样,是在一定条件下建立的一个动态平衡。
当外界条件改变时,平衡将发生移动。
配位平衡的移动同样遵循化学平衡移动原理。
1.配位平衡与酸碱平衡
当配合物的配位体为F-、CN-、SCN-和NH3以及有机酸根离子时,加入强酸,易生成难离解的弱酸分子,从而使配位平衡向解离的方向移动,导致配合物的稳定性降低,这种现象称为酸效应。
例如,将AgCl沉淀溶于氨水中所得的[Ag(NH3)2]+配离子中,加入HNO3时,会使[Ag(NH3)2]+被破坏,重新生成AgCl沉淀:
[Ag(NH3)2]++2H+
Ag++2NH4+
这里反应的实质是H+与Ag+争夺配位体NH3。
再如[FeF6]3-配离子中,加入H+,可以生成弱酸HF,配位平衡向右移动,促使[FeF6]3-配离子进一步离解。
在生成配合物溶液的过程中,为了避免酸效应的影响,常控制溶液的酸度(pH值)在一定范围内。
这是利用配合物进行定性鉴定或定量分析时必须注意的重要条件之一。
2.配位平衡与沉淀-溶解平衡
利用配离子的生成反应可使某些难溶盐溶解,如在AgCl沉淀中加入配位剂氨水,由于生成了[Ag(NH3)2]+,降低了溶液中Ag+的浓度,促进了AgCl沉淀的溶解。
只要加入的氨水足量,AgCl沉淀可以完全溶解。
相反,在配合物中加入沉淀剂,配合物因生成沉淀而离解,例如,在[Cu(NH3)4]2+配离子溶液中加入Na2S可以生成沉淀CuS而使[Cu(NH3)4]2+配离子离解。
同样如果加入大量的浓NaOH溶液也会生成Cu(OH)2沉淀而使[Cu(NH3)4]2+配离子的稳定性被破坏。
金属离子存在的状态,即配位平衡与沉淀-溶解平衡转化的方向取决于配离子的稳定常数
和难溶物溶度积常数
的大小关系。
3.配位平衡与氧化还原平衡
配位平衡与氧化还原平衡之间的影响也是相互的。
若在配离子溶液中加入某种氧化剂或还原剂,能与配位体或中心离子发生氧化还原反应,则会使配位平衡向着离解的方向移动,从而破坏配离子的存在。
而金属离子在形成配合物后,溶液中金属离子的浓度降低,根据能斯特公式可知,金属配离子-金属电对的电极电势比该金属离子-金属电对的电极电势要低。
即当简单离子形成配合物后,其电极电势一般变小,因此简单离子得电子能力减弱,氧化性降级,不易被还原为金属,增强了金属离子的稳定性;
而相应的金属单质的还原性增强。
如不活泼金属金与铂,其电极电势非常高,不与硝酸反应,但可与王水反应,这与生成配离子的反应有关。
Au+HNO3+4HCl
H[AuCl4]+NO+2H2O
3Pt+4HNO3+18HCl
3H2[PtCl6]+4NO+8H2O
配离子[AuCl4]-和[PtCl6]2-的生成使Au、Pt的还原性增强,从而被硝酸氧化。
4.配离子间的相互转化
当溶液中存在着两种能与同一金属离子形成配离子的配位体时,或者存在着两种金属离子能与同一配位体形成配离子时,转化主要取决于配离子稳定性的大小,平衡总是向着生成稳定性较强的配离子的方向转化。
即两个配离子的稳定常数相差越大,转化越完全。
例11-2试求下列配离子转换反应的平衡常数。
[Ag(NH3)2]++2CN-
[Ag(CN)2]-+2NH3
已知:
([Ag(NH3)2]+)=1.7×
107;
([Ag(CN)2]-)=5.6×
1018。
反应的平衡常数表达式:
分子分母同乘c(Ag+)
=3.3×
1011
值之大,说明转化反应进行得很完全。
由上式可知,配离子间转化反应的平衡常数等于产物配离子的稳定常数与反应物配离子的稳定常数之比。
平衡常数较大,说明两种配离子的稳定常数相差较大,反应向右进行的倾向较大,转化较完全;
平衡常数较小,说明两种配离子的稳定常数相差不大,反应向右进行的倾向不大。
12.3配合物的应用
1.工业生产中的应用
(1)湿法冶金
可以用配合剂的溶液直接从矿石中把金属浸取出来,再用适当的还原剂还原成金属。
(2)分离和提纯
由于制备高纯物质的需要,对于那些性质相近的过渡金属,常利用生成配合物来扩大一些性质上的差别,从而达到分离、提纯的目的。
(3)合成具有特殊功能的分子
光储材料、超导材料、抗癌药物等。
2.定量分析中的应用
(1)检验离子的特效试剂
通常利用螯合剂与某些金属离子生成有色难溶的内络盐,作为检验这些离子的特征反应。
(2)隐蔽剂
多种金属离子共同存在时,要测定其中的一种金属离子,其他金属离子往往会与试剂发生同类型反应而干扰测定,因此常用配合物来防止杂质离子的干扰。
(3)萃取分离
当金属离子与有机螯合剂形成内络盐时,一方面由于它不带电,另一方面由于有机配体在金属离子的外围且极性极小,具有疏水性。
因而难溶于水,易溶于有机溶剂。
利用这一性质就可将某些金属离子从水溶液中萃取到有机溶剂中。
3.在合成中的应用
(1)配合物催化剂活性高、选择性好在合成工业中用途广泛。
(2)配合物与生物固氮。
4.在生物体中的应用
许多酶的作用与其结构中含有形成配合物的金属离子有关。
专项规划工业、农业、畜牧
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