Σύνθετα Ιόντα και Συνδέματα
Βασικές έννοιες
Σε αυτό το άρθρο, μαθαίνουμε για τα πολύπλοκα ιόντα και τους συνδέτες τους, συμπεριλαμβανομένων των διαφόρων τύπων συμπλόκων, τη σημασία του αριθμού συντονισμού και τη χημεία των συνδετών συμπεριλαμβανομένων των αντιδράσεων υποκατάστασης συνδέτη.
Τι είναι ένα σύνθετο ιόν στη Χημεία;
Στην ανόργανη χημεία, ένα «σύμπλεγμα» περιγράφει μια δομή που περιλαμβάνει ένα κεντρικό μεταλλικό ιόν με συντεταγμένους ομοιοπολικούς δεσμούς σε έναν ή περισσότερους συνδέτες. Οι χημικοί ορίζουν τον «συνδέτη» ως ένα μόριο ικανό να δώσει ένα ζεύγος ηλεκτρονίων για να σχηματίσει έναν ομοιοπολικό δεσμό συντεταγμένων. Δεδομένου ότι οι συνδέτες δωρίζουν ζεύγη ηλεκτρονίων, ταξινομούνται ως βάσεις Lewis. Αντίθετα, τα ιόντα κεντρικού μετάλλου θεωρούνται οξέα Lewis επειδή δέχονται ζεύγη ηλεκτρονίων. Συχνά, τα χημικά σύμπλοκα έχουν ιοντικό φορτίο και έτσι σχηματίζουν σύνθετα ιόντα.
Τύποι σύνθετων ιόντων
Σύμπλεγμα Hexaaqua
Μια κοινή κατηγορία ιόντων συμπλόκου συντονισμού περιλαμβάνει έξι συνδέτες μορίων νερού. Οι χημικοί χρησιμοποιούν τον όρο «ιόντα hexaaqua» για να περιγράψουν τέτοια σύμπλοκα. Το κοβάλτιο (II), ο χαλκός (II), ο σίδηρος (II), ο σίδηρος (III) και πολλά άλλα μέταλλα μετάπτωσης μπορούν να χρησιμεύσουν ως το κεντρικό ιόν στα σύμπλοκα hexaaqua. Είναι σημαντικό, επειδή τα μόρια του νερού έχουν ουδέτερο φορτίο, το φορτίο ολόκληρου του σύνθετου ιόντος παραμένει το ίδιο με αυτό του κεντρικού ιόντος.
Αυτά τα σύμπλοκα τείνουν να σχηματίζονται αυθόρμητα όταν τα μεταλλικά κατιόντα διαλύονται σε ένα υδατικό διάλυμα. Επιπλέον, οι δεσμοί συντεταγμένων επιτρέπουν στο σύμπλοκο να απορροφά φως σε ορισμένες συχνότητες, με αποτέλεσμα το χρώμα ορισμένων διαλυμάτων μεταλλικών ιόντων.
Επιπλέον, όταν ένα ιόν hexaaqua αντιδρά με το νερό, το σύμπλοκο απελευθερώνει ένα πρωτόνιο, καθιστώντας το οξύ Arrhenius. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο η διάλυση μεταλλικών κατιόντων σε ένα διάλυμα μειώνει κατά συνέπεια το pH του.
[Fe(H2 O)6 ] + H2 O ⇌ [Fe(H2 O)5 (OH)] + H3 O
Ομοληπτικά Συμπλέγματα
Οι χημικοί ορίζουν τα ομοληπτικά σύμπλοκα ως σύμπλοκα με ένα μόνο είδος συνδέτη. Τα σύμπλοκα ιόντων Hexaaqua θεωρούνται ως ομοληπτικά σύμπλοκα αφού περιλαμβάνουν μόνο νερό. Άλλα ομοληπτικά σύμπλοκα περιλαμβάνουν αυτά με μόνο συνδέτες αμμωνίας, όπως [Co(NH3 )6 ], ή μόνο προσδέματα μονοξειδίου του άνθρακα, όπως [W(CO)6 ], για παράδειγμα.
Ετεροληπτικά Συμπλέγματα
Αντίθετα, οι χημικοί ορίζουν τα ετεροληπτικά σύμπλοκα ως εκείνα με τουλάχιστον δύο διαφορετικά είδη προσδεμάτων. Παραδείγματα ετεροληπτικών συμπλοκών περιλαμβάνουν το [Fe(NH3 )4 Cl2 ], [Co(NH3 )2 (H2 O)4 ], [Al(H2 Ο)2 (OH)2 Cl2 ] και [Pt(NH3 )2 Cl].
Αριθμοί συντονισμού σε Σύνθετα Ιόντα
Κατά την πρόβλεψη και τον χαρακτηρισμό σύνθετων ιόντων, είναι σημαντικό να λαμβάνεται υπόψη ο αριθμός συντονισμού του ιόντος. Οι χημικοί ορίζουν τον "αριθμό συντονισμού" (CN) ή "ligancy" ως τον μέγιστο αριθμό προσδεμάτων που μπορούν να συνδεθούν σε ένα κεντρικό μεταλλικό ιόν. Φυσικά, ο αριθμός συντονισμού υποδεικνύει τον αριθμό των θέσεων στις οποίες μπορεί να συνδεθεί ένας συνδέτης. Ο αριθμός συντονισμού ενός ιόντος ποικίλλει από 2-8, με το 4 και το 6 να είναι τα πιο κοινά. Κανένας κανόνας ή τάση δεν προβλέπει αξιόπιστα τον αριθμό συντονισμού ενός μεταλλικού ιόντος, αλλά παράγοντες όπως οι στερικές προσδέματος και η ατομική ακτίνα μετάλλου φαίνεται να συμβάλλουν κάπως.
Είναι σημαντικό ότι ο αριθμός συντονισμού των μιγαδικών ιόντων καθορίζει τη μοριακή τους γεωμετρία, ακολουθώντας παρόμοιες τάσεις με τη θεωρία VSEPR.
Τύποι προσδεμάτων σε Σύνθετα Ιόντα
Πολλά διαφορετικά μόρια μπορούν να χρησιμεύσουν ως συνδέτες σε ένα ιόν συμπλόκου συντονισμού. Ένας τρόπος ταξινόμησης των συνδετών περιλαμβάνει το φορτίο τους:
- Κατιονικοί συνδέτες:ΟΧΙ, N2 H5 , 1,1,1-τριμεθυλυδραζίνιο
- Ουδέτεροι συνδετήρες:H2 O, NH3 , CO, O2 , NH2 OH
- Ανιονικοί συνδέτες:F, Cl, Br, I, OH, CN, CH3 OO
Ένας άλλος τρόπος ταξινόμησης των συνδετών περιλαμβάνει τον αριθμό των θέσεων προσδέματος στις οποίες μπορούν να συνδεθούν σε ένα μεταλλικό ιόν. Οι χημικοί αποκαλούν αυτή την ιδιότητα «οδοντοστοιχία» ενός συνδέτη, από τον ελληνικό όρο για το δόντι, επειδή καθορίζει τον μέγιστο αριθμό «τσιμπημάτων» που μπορεί να πάρει ένας συνδέτης από ένα ιόν.
Πολλοί από τους απλούστερους συνδέτες θεωρούνται ως "μονοδοντωτοί", που σημαίνει ότι συνδέονται μόνο σε μία θέση στο μεταλλικό ιόν. Τα παραδείγματα περιλαμβάνουν:F, Cl, H2 O, NH3 , CO, NO και οι περισσότεροι άλλοι σχετικά μικροί συνδέτες.
Οι χημικοί χρησιμοποιούν τον όρο «πολυοδοντωτό» ή «χηλικό» για συνδέτες ικανούς να δεσμεύονται σε πολλαπλές θέσεις συνδέτη. Συχνά, αυτοί οι συνδέτες τείνουν να έχουν μάλλον μεγάλες οργανικές δομές. Τα μεταλλικά ιόντα τείνουν να έχουν υψηλότερη συγγένεια να πολυοδοντώνονται σε δεύτερες και μεταγενέστερες δεσμεύσεις σε σύγκριση με την πρώτη σύνδεση. Αυτό το «πολυοδοντικό φαινόμενο» εξηγείται από την εντροπία. πολλαπλές δεσμεύσεις ενός πολυοδοντωτού αντικαθιστούν κατά συνέπεια άλλους συνδετήρες, γεγονός που έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση των μορίων στο σύστημα.
Παραδείγματα πολυοδοντωτών συνδετών περιλαμβάνουν:
- Διαδικό:ακετυλακετονικό, οξαλικό, αιθυλοδιαμίνη, διπυριδίνη
- Τριαδικό:Διαιθυλο τριαμίνη, Τερπυριδίνη
- Tentradentate:Triethyl tetramine
- Εξαδεντικό:Αιθυλενοδιαμινοτετραοξικό (EDTA)
Ένας άλλος σημαντικός τύπος συνδέτη ονομάζεται "συνδέτης γεφύρωσης", ο οποίος μπορεί να συνδεθεί με πολλαπλά μεταλλικά ιόντα. Οι συνδέτες γεφύρωσης στη συνέχεια επιτρέπουν το σχηματισμό σύνθετων ιόντων με πολλαπλά κεντρικά μέταλλα. Στα παραδείγματα περιλαμβάνονται:CO, OH, N3 , και NH2 .
Αντιδράσεις ανταλλαγής συνδέσμων σε Σύνθετα Ιόντα
Για να συνθέσουν διαφορετικά σύμπλοκα συντονισμού μεταλλικών ιόντων, οι χημικοί εκτελούν αντιδράσεις ανταλλαγής προσδέματος, οι οποίες αντικαθιστούν τους συνδετήρες που είναι δεσμευμένοι στο μεταλλικό ιόν. Τα περισσότερα σύμπλοκα ιόντα τείνουν να συντίθενται από το ομοληπτικό υδατικό ιόν, καθώς αυτά τα σύμπλοκα σχηματίζονται εύκολα από τη διάλυση ενός διαλυτού άλατος κατιόντων μετάλλου στο νερό.
CoCl2 + 6H2 O ⇌ [Co(H2 O)6 ] + 2Cl
Σε αυτό το παράδειγμα, αυτό το σύμπλοκο εξαακουοβαλτίου (II) αποτελεί τη βάση από την οποία μπορούν να συντεθούν ουσιαστικά όλα τα σύμπλοκα κοβαλτίου (II).
Είναι σημαντικό ότι ο σχηματισμός οποιουδήποτε συμπλόκου μεταλλικών ιόντων είναι αναστρέψιμος. Έτσι, η Αρχή του Le Chatelier διέπει όλες τις αντιδράσεις ανταλλαγής προσδέματος. Εάν θέλουμε να αντικαταστήσουμε τους συνδέτες στο σύμπλοκό μας hexaaquacobalt(II) με αμμωνία, θα πρέπει επομένως να προσθέσουμε περίσσεια συμπυκνωμένης αμμωνίας.
[Co(H2 O)6 ] + 6NH3 ⇌ [Co(NH3 )6 ] + 2H2 O
Αν αντ 'αυτού προσθέσουμε μόνο λίγη αμμωνία, αντί να πραγματοποιηθεί η αντίδραση ανταλλαγής συνδέτη, το ιόν hexaaqua αποπρωτονιώνεται. Αυτό οφείλεται στις όξινες ιδιότητες των ιόντων hexaaqua.
[Co(H2 O)6 ] + NH3 ⇌ [Co(H2 O)5 (OH)] + NH4
Είναι σημαντικό ότι αυτά τα αποπρωτονωμένα σύμπλοκα υδροξειδίου συχνά σχηματίζουν ένα ίζημα σε σημαντικές συγκεντρώσεις.
Επιπλέον, ορισμένες αντικαταστάσεις συνδέτη αλλάζουν τον αριθμό συντονισμού του μεταλλικού ιόντος. Εάν τοποθετήσουμε το ιόν εξαακουβαλτίου (II) μας σε πυκνό υδροχλωρικό οξύ, σχηματίζουμε κατά συνέπεια το σύμπλεγμα τετρακοβαλτίου. Στη συνέχεια, ο αριθμός συντονισμού αλλάζει από 6 σε 4, λόγω του προστιθέμενου όγκου ιόντων χλωρίου σε σύγκριση με το νερό.
[Co(H2 O)6 ] + 4Cl ⇌ [CoCl4 ] + 6H2 O
Τέλος, ορισμένες ανταλλαγές συνδέτη παραμένουν ημιτελείς, ακόμη και όταν έχουμε περίσσεια ενός νέου συνδέτη. Για παράδειγμα, ο hexaaquacopper(II) σχηματίζει μόνο τετρααμινοδιαχαλκό (II) όταν υπερβαίνει την αμμωνία.
[Co(H2 O)6 ] + 4NH3 ⇌ [Co(NH3 )4 (H2 Ο)2 ] + 4H2 O
