配合物讲义超好经典全面.docx

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配合物讲义超好经典全面

7　配位化合物

7.1配位化合物的基本概念

7.1.1配合物的定义

配位单元：

由中心原子（或离子）和几个配体分子〔或离子〕以配位键相结合而形成的复杂离子〔亦称配离子〕或分子。

例：

[Co（NH3）6]3+，[Cr（CN）6]3-，Ni（CO）4分别称作配阳离子、配阴离子、配位分子〔即中性配位分子〕。

配位化合物：

但凡含有配位单元的化合物，简称配合物，也叫络合物。

如[Co（NH3）6]Cl3，K3[Cr（CN）6]，Ni（CO）4

注意：

配合物和配离子通常不作严格区分，有时配离子也叫做配合物，故判断配合物的关键在于是否含有配位单元。

7.1.2配合物的组成

7.1.2.1内界和外界　　

〔1〕内界：

配合物中配体和中心离子通过配位键结合，成为配合物的特征部分〔在配合物化学式中以方括号说明〕，称为配合物的内界。

内界可以是配阳离子，也可以是配阴离子，还可以是中性分子。

〔2〕外界：

与配离子带有异种电荷的方括号外的那部分称为外界，外界是简单离子。

如K3[Cr（CN）6]之中，内界是[Cr（CN）6]3-，外界是K+。

注意：

配合物可以无外界〔如Ni（CO）4〕，但不能没有内界。

内界和外界之间以离子键结合，在水溶液中是完全电离的。

7.1.2.2中心离子〔或原子〕

中心离子〔或原子〕是配合物的核心部分，又称为配合物的形成体。

形成体可以是①金属离子〔尤其是过渡金属离子〕，如[Cu（NH3）4]2+中的Cu2+；

②中性原子，如Ni（CO）4，Fe（CO）5，Cr（CO）6中的Ni，Fe和Cr；

③少数高氧化态的非金属元素，如[BF4]-，[SiF6]2-，[PF6]-中的B（Ⅲ）、Si（Ⅳ）、P（Ⅴ）等。

7.1.2.3配体、配位原子和配位数

〔1〕配位体

定义：

在配合物中与中心离子结合的阴离子或中性分子，简称配体。

特征：

①能提供孤对电子或不定域〔或∏键〕电子。

如[Cu（NH3）4]2+中的NH3；②能够提供∏键电子的配体如有机分子C2H4，乙二胺等。

〔2〕配位原子

定义：

配体中给出孤对电子与中心离子〔或原子〕直接形成配位键的原子。

常见的配位原子是N、C、O、S、F、Cl、Br、I等。

如果在一个配体中有两个原子都有孤对电子，其中电负性较小者为配位原子，如

中的C是配位原子。

分类：

根据一个配体中所含配位原子数目的不同，可将配体分为单齿配体或多齿配体。

单齿配体：

只含有一个配位原子的配体，如X-、NH3、CO、CN-等；

多齿配体：

含有两个或两个以上配位原子的配体。

例如乙二胺〔∶NH2-CH2-CH2-H2N∶，用en表示〕为双齿配体；乙二胺四乙酸〔用EDTA表示，结构式见图7-1〕为六齿配体，其中2个N，4个OH-中的O均可配位。

图7-1乙二胺和乙二胺四乙酸的分子结构式

〔3〕配位数

定义：

配位单元中，直接与中心离子〔或原子〕成键的配位原子的个数。

注意：

配体的个数与配位数不是同一个概念。

对于单齿配位体的配合物，配位数等于配位体的总数；

对于多齿配位体的配合物，配位数等于每种配体数目与该配体的配位原子数之积。

中心原子最常见的配位数为6、4和2，也有极少数的配位数为3、5、7、8等。

7.1.2.4配离子的电荷

配离子的电荷等于中心离子电荷和配位体总电荷的代数和。

现以[Cu（NH3）4]SO4和K4[Fe（CN）6]为例，以图表示配合物的组成关系如下。

图7-2配合物的组成

7.1.3配合物的命名

配合物的命名原则与一般无机化合物相同，所不同的只是对配离子的命名。

在配合物命名中先阴离子，后阳离子，阴阳离子之间加‘化’字或‘酸’字。

（1）配位阳离子的配合物

假设外界阴离子为简单离子的酸根〔如Cl-〕，叫某化某，如[CrCl2（H2O）4]Cl一氯化二氯·四水合铬〔Ⅲ〕；

假设外界阴离子为复杂离子的酸根〔如SO42-〕，叫某酸某，如[Cu（NH3）4]SO4硫酸四氨合铜〔Ⅱ〕；

假设外界阴离子为OH-离子，叫氢氧化某，如[Ag（NH3）2]（OH）氢氧化二氨合银〔Ⅰ〕。

（2）配位阴离子的配合物

配位阴离子看成是酸根，如Cu2[SiF6]叫六氟合硅（IV）酸亚铜；假设外界为H+，在配位阴离子后加酸字，如H2[SiF6]叫六氟合硅（IV）酸。

在配位单元中，具体命名顺序为：

配位体数—配位体名称—合—中心原子名称—中心原子氧化值加括号，用罗马数字注明。

〔1〕先配体后中心离子，配体与中心离子之间加‘合’字。

〔2〕配体前面用二、三、四……表示该配体个数。

〔3〕几种不同的配体之间加‘·’隔开。

〔4〕中心原子后面加括号，括号内写罗马数字〔Ⅰ、Ⅱ…等〕表示中心原子的氧化值。

〔5〕假设配离子中的配体不止一种，在命名时配体的先后顺序按如下规定：

1〕先无机配体后有机配体

2〕先阴离子类配体，后分子类配体

3〕同类配体中，按配位原子的元素符号在英文字母表中的次序排

4〕某些配体具有相同的化学式，但由于配位原子不同而有不同的命名，例如：

SCN-硫氰根（S原子配位）NCS-异硫氰根（N原子配位）

-NO2-硝基（N原子配位）ONO-亚硝酸根（O原子配位）

有些化合物还常用习惯名称或俗名，如

K4[Fe（CN）6]亚铁氰化钾俗称黄血盐；[Cu（NH3）4]2+铜氨离子

K3[Fe（CN）6]铁氰化钾俗称赤血盐；[Ag（NH3）2]+银氨离子

7.2配位化合物的价键理论

1931年，鲍林将杂化轨道理论用于配合物结构中，用以说明配合物的化学键性质及空间构型，逐渐形成了价键理论。

价键理论认为，中心原子与配体是通过杂化了的共价配键结合的。

在形成配合物时，中心原子必须提供与配体孤电子对数相同的空轨道，接受配体提供的孤电子对，形成配位键〔M←∶L，其中，M为中心原子或离子，L为配体〕。

即中心原子空的杂化轨道同配位原子充满孤电子对的轨道相互重叠而形成配位键〔这种配位键的本质是共价性的〕。

中心原子杂化轨道类型决定配离子的空间构型和稳定性。

7.2.1杂化轨道和配合物空间构型的关系

7.2.1.1sp杂化

以[Ag（NH3）2]+为例：

图7-3[Ag（NH3）2]+配离子的形成

sp杂化轨道的夹角为180°，空间伸展方向为直线形，配位数为2。

7.2.1.2sp3杂化

以[Zn（NH3）4]2+为例：

图7-4[Zn（NH3）4]2+配离子的形成

sp3°，空间伸展方向指向正四面体的四个顶点，配离子的空间构型是正四面体，配位数为4。

7.2.1.3dsp2杂化

以[Ni（CN）4]2-为例：

图7-5[Ni（CN）4]2-配离子的形成

dsp2杂化轨道的键角为90°，配离子的空间构型是平面正方形，配位数为4。

7.2.1.4sp3d2杂化

以[FeF6]3-为例：

图7-6[FeF6]3-配离子的形成

以sp3d2杂化轨道形成的配离子为正八面体构型，配位数为6。

像F-配体不能使中心离子的价电子重排，这样的配体称为弱配体。

常见的弱配体有F-、Cl-、H2O等。

7.2.1.5d2sp3杂化

以[Fe（CN）6]3-为例：

图7-7[Fe（CN）6]3-配离子的形成

以d2sp3杂化轨道形成的配离子为正八面体构型，，配位数为6。

像CN-配体使中心离子的价电子发生重排，这样的配体称为强配体。

常见的强配体有CO、CN-、NO2-等。

7.2.2外轨型配合物和内轨型配合物

中心原子使用空轨道接受配位体的孤对电子可有两种方式：

外轨型配合物：

如果中心原子不改变原有的电子层构型，提供的都是最外层轨道〔ns、np、nd〕，形成的配合物。

如采用sp、sp3、sp3d2杂化类型的配合物。

内轨型配合物：

如果在形成配合物时，中心原子内层电子进行重排，改变了原来的电子层构型，腾出一部分次外层轨道[（n-1）d]参与杂化，形成的配合物。

如采用dsp2、d2sp3杂化类型的配合物。

影响内、外轨型配合物形成的主要因素：

一是配位原子的电负性。

电负性小的配位原子如CN-、CO等强配体中的C，易提供孤对电子，强迫中心离子的内层轨道电子发生重排，腾出能量低的空轨道，形成内轨型配合物；

电负性大的配位原子如F-、H2O等弱配体中的F和O，不易提供孤对电子，对中心离子的内层轨道影响小，易形成外轨型配合物。

NH3，Cl-等的配位原子电负性大小居中，则两类都有。

二是中心离子〔电子构型、电荷〕。

具有d10构型的离子，如Zn2+,Cd2+,Hg2+,Cu+,Ag+,Au+无空（n-1）d轨道，只能用外层轨道形成外轨型配合物；

具有d8构型的离子,如Ni2+、Pt2+、Pb2+，大多数情况下形成内轨型配合物；具有d4~d7构型的离子，既可形成内轨型，也可形成外轨型配合物。

对于同一中心离子，外轨型配合物所用的杂化轨道比内轨型配合物的能量要高，形成的配位键的键能小，不稳定。

即内轨型配合物的稳定性比外轨型配合物的大。

7.2.3价键理论的应用和局限性

优点：

简单明了，易于理解和接受，可以解释配离子的几何构型及某些化学性质和磁性等。

缺陷：

不能定量地说明配合物的性质。

如不能解释配离子的颜色等。

7.3配合物在水溶液中的性质—配位平衡

7.3.1配合物的不稳定常数与稳定常数

7.3.1.1配合物的不稳定常数

以配合物[Cu（NH3）4]SO4为例，其离解分以下两种情况：

[Cu（NH3）4]SO4→[Cu（NH3）4]2++SO42-〔1〕强电解质的完全离解方式

[Cu（NH3）4]2+

Cu2++4NH3〔2〕弱电解质的部别离解方式

〔2〕式离解反应〔配位反应的逆反应〕是可逆的，象这样配离子在一定条件下到达υ离解=υ配位的平衡状态，称为配离子的离解平衡，也称配位平衡。

它有固定的标准平衡常数，即：

称为配离子不稳定常数或离解常数，也可用

表示。

愈大表示离解反应进行程度愈大，配离子愈不稳定。

7.3.1.2配合物的稳定常数

配离子的生成反应如：

Cu2++4NH3

[Cu（NH3）4]2+

平衡常数为：

称为配离子的稳定常数或生成常数，也可用

或

表示。

愈大表示配合反应进行程度愈大，配离子的稳定性愈大。

注意：

和

是表示同一事物的两个方面，两者的关系互为倒数，即

=1/

，二者概念不同，使用时应注意不可混淆。

实际上，配离子的生成或离解都是分步进行的，如[Cu（NH3）4]2+

Cu2++NH3→[Cu（NH3）]2+①β1=1.41×104

[Cu（NH3）]2++NH3→[Cu（NH3）2]2+②β2=×103

[Cu（NH3）2]2++NH3→[Cu（NH3）3]2+③β3=×102

[Cu（NH3）3]2++NH3→[Cu（NH3）4]2+④β4=1.39×102

根据多重平衡规则，由方程式①+②+③+④可得：

Cu2++4NH3→[Cu（NH3）4]2+

β=β1×β2×β3×β4×1012

其中，β称为累积稳定常数，β1、β2、β3、β4称为逐级稳定常数。

同理，可推得总的离解常数与逐级离解常数的关系为：

7.3.1.3稳定常数〔或不稳定常数〕的应用

〔1〕应用配合物的稳定常数，可以比较同种类型配合物的稳定性。

如：

[Ag（NH3）2]+lgβ

[Ag（CN）2]-lgβ

可见，[Ag（CN）2]-比[Ag（NH3）2]+稳定的多。

注意：

配离子类型必须相同才能比较，否则会出错误。

对于不同类型的配离子，只能通过计算来比较。

〔2〕应用配合物的稳定常数，可以计算配合物体系中各组分的浓度。

【例1】室温下，将0.010mol的AgNO30.030mol·L-1的氨水中〔设体积不变〕。

求生成[Ag（NH3）2]+后溶液中Ag+和NH3的浓度。

[已知：

β〔[Ag（NH3）2]+〕=1.7×107]

解：

由于β值较大，且NH3过量较多，可先认为Ag+与过量NH3完全生成[Ag（NH3）2]+，[Ag（NH3）2]+浓度为0.010mol·L-1，剩余的NH3为〔×mol·L-1。

而后再考虑[Ag（NH3）2]+的离解，设达平衡时c〔Ag+〕=ymol·L-1；离解了的c〔Ag（NH3）2]+〕=xmol·L-1；离解出的c〔NH3〕=zmol·L-1则：

平衡浓度C平/mol·L-10.010–xy0.010+z

因[Ag（NH3）2]+是分步离解的，故x≠y，z≠2y，既然[Ag（NH3）2]+很稳定，离解很少，故可近似处理：

0.010–x≈，0.010+z≈

则：

即

解上式得：

×10-6

即c〔Ag+〕×10-6mol·L-1

c〔NH3〕=0.010mol·L-1

7.3.2配位平衡的移动

7.3.2.1配位平衡与酸碱平衡

配离子中的L-假设为弱酸根〔如F-,CN-,SCN-,CO32-,C2O42-等〕，它们能与外加的酸生成弱酸，从而使配位平衡向离解的方向移动。

例如，[FeF6]3-溶液中存在着以下平衡：

当溶液中c（H+mol·L-1时，由于生成弱酸HF：

H++F-

HF

而使配位平衡向离解的方向移动，甚至会全部离解。

反之，提高溶液的pH值，即增大OH-的浓度，HF的平衡左移，F-的浓度增大，使配合平衡向配合方向移动。

换句话说，配离子更加稳定。

7.3.2.2配位平衡与沉淀溶解平衡

配位平衡与沉淀反应的关系，是沉淀剂与配合剂争夺金属离子Mn+的过程。

这与

、

的值有关。

例如，在AgCl沉淀中加入氨水，AgCl沉淀会生成[Ag（NH3）2]Cl而溶解。

这时配合剂NH3夺取了与沉淀剂Cl-结合的Ag+，反应如下：

平衡常数为：

在上述溶液中继续加入KI，则配离子[Ag（NH3）2]+又会因生成沉淀AgI而离解。

这时，沉淀剂I-夺取了与NH3结合的Ag+，反应如下：

平衡常数为：

平衡常数如此之大，说明反应很容易进行，从而析出AgI沉淀。

同理，在AgI中加入氰化物，则AgI沉淀又会生成更稳定的[Ag（CN）2]-而溶解（β（[Ag（CN）2]-）=5.6×1018）。

以上事实说明，配离子与沉淀之间的转化，主要取决于沉淀的溶度积和配离子的稳定常数的大小。

由于

，

，才能实现这一转化过程：

7.3.2.3配位平衡与氧化复原平衡

金属离子形成配合物以后，由于溶液中金属离子的浓度有所下降，从而使金属配离子/金属的电对的电极电势随之降低。

这种情况可用能斯特方程来说明：

当溶液中c（Mn+）

1mol·L-1时，则

。

故在简单金属离子溶液中加入配合剂L后，由于发生配合反应，

，溶液中c（Mn+）大为降低，E随之降低。

配合物越稳定，即β越大，则c（Mn+）越小，E越小，配离子中金属的氧化态就越稳定〔见课本表7-5〕。

总结：

配离子的稳定常数与该配离子和金属组成的电对的电极电势之间有密切的关系。

利用这一关系可以求算配离子和金属组成电对的电极电势。

一些不活泼的金属如Au，其电极电势很高，难溶于硝酸，但溶于王水。

这是因为Au+能与王水中的Cl-结合生成[AuCl4]-配离子，大大降低了[AuCl4]-/Au的电极电势。

7.3.2.4配离子之间的转化

在含有Fe3+离子的溶液中，加入KSCN会出现血红色，这是定性检验Fe3+离子常用的方法。

反应式如下：

〔x=1~6〕

如果在上述溶液中再加入足够的NaF，血红色就会消失，这是由于F-夺取了[Fe（NCS）x]3-x中的Fe3+而生成了更稳定的[FeF6]3-。

转化反应如下：

平衡常数表达式为：

值很大，说明转化反应进行的相当完全。

总结：

在溶液中，配离子之间的转化总是向着生成更稳定的配离子的方向进行，转化程度取决于两种配离子的稳定常数。

稳定常数相差越大，转化反应越完全。

7.4.1螯合物的概念

螯合物也称内配合物，它由多齿配体通过两个或两个以上配位原子与一个中心原子形成的环状配合物。

多齿配体称为螯合剂，它与中心离子的键合称为螯合。

例如，乙二胺H2N-CH2-CH2-NH2〔表示为en〕与Cu2+形成的配合物[Cu（en）2]2+，形成两个五原子环〔五元环〕的螯合物。

图7-8[Cu（en）2]2+结构示意图

形成螯合物的条件：

〔1〕每个配位体必须具有两个或两个以上的配位原子；〔2〕两个配位原子之间必须相隔2个或3个原子，形成的环才稳定。

所以螯合物中以五原子环和六原子环最稳定。

7.4.2螯合物的特性

〔1〕在中心离子相同、配位原子相同的情况下，形成螯合物要比形成简单配合物稳定，在水中离解程度也小。

例如，[Cu（en）2]2+、[Zn（en）2]2+配离子要比相应的[Cu（NH3）4]2+和[Zn（NH3）4]2+配离子稳定的多。

〔2〕螯合物所含五原子环或六原子环的数目越多，螯合物越稳定。

〔3〕螯合物多具有特殊的颜色，难溶于水，易溶于有机溶剂。

7.5配位化合物的应用

7.5.1在无机化学方面的应用

〔1〕湿法冶金

利用合适的配合剂从矿石中提取贵金属。

例如在NaCN溶液中，由于

值比

值小得多，Au的复原性增强，容易被O2氧化，形成[Au（CN）2]-而溶解，然后用锌粉从溶液中置换出金。

4Au+8CN-+O2+2H2O=4[Au（CN）2]-+4OH-

2[Au（CN）2]-+Zn=2Au↓+2[Zn（CN）4]2-

〔2〕高纯金属的制备

工业上采用羰基化精炼技术制备高纯金属。

先将含有杂质的金属制成羰基配合物并使之挥发以与杂质别离，然后加热分解制得纯度很高的金属。

例如，制造铁芯和催化剂用的高纯铁粉，正是采用这种技术生产的。

由于金属羰基配合物大多剧毒、易燃，所以在制备和使用时应特别注意安全。

7.5.2在分析化学方面的应用

〔1〕离子的鉴定形成有色配离子：

例如在溶液中NH3与Cu2+能形成深蓝色的[Cu（NH3）4]2+，Fe3+与NH4SCN作用生成血红色的[Fe（NCS）n]3-n配离子；

形成难溶有色配合物：

丁二肟在弱碱性介质中与Ni2+可形成鲜红色难溶的二（丁二肟）合镍（Ⅱ）沉淀。

〔2〕离子的掩蔽在定性分析中还可以利用生成配合物来消除杂质离子的干扰。

例如用NaSCN鉴定Co2+时，Co2+与配合剂将发生以下的反应：

[Co（H2O）6]2+（粉红）+4SCN-→[Co（SCN）4]2+（艳蓝〕+6H2O

但是，如果溶液中同时含有Fe3+，Fe3+也可与SCN-反应，形成血红色的[Fe（CN）6]3-，阻碍了对Co2+的鉴定。

假设事先在溶液中加入足量的配合剂NaF（或NH4F），使Fe3+形成更稳定的无色配离子[FeF6]3-，这样就可以排除Fe3+对Co2+鉴定的干扰。

在分析化学上，这种排除干扰的效应称为掩蔽效应，所用的配合剂称为掩蔽剂。

〔3〕离子的别离

例如，在含有Zn2+和Al3+的溶液中加入过量的氨水：

可到达别离Zn2+和Al3+的目的。

7.5.3在生物化学方面的应用

生物体内各种各样起特殊催化作用的酶，几乎都与有机金属配合物密切相关。

例如，植物进行光合作用所必需的叶绿素，是以Mg2+为中心的复杂配合物。

植物固氮酶是铁、钼的蛋白质配合物。

治疗糖尿病的胰岛素，治疗血吸虫病的酒石酸锑钾以及抗癌药顺铂、二氯茂钛等都属于配合物。

现已证实多种顺铂（[Pt（NH3）2Cl2]）及其一些类似物对子宫癌、肺癌、睾丸癌有明显疗效。

最近还发现金的配合物[Au（CN）2]-有抗病毒作用。