Структура, классификация, номенклатура комплексных соединений

Как известно, металлы имеют свойство терять электроны и, тем самым, образовывать катионы. Положительно заряженные ионы металлов могут находиться в окружении анионов или нейтральных молекул, образуя частицы, называемые комплексными и способные к  самостоятельному существованию в кристалле или растворе. А соединения, содержащие в узлах своих кристаллов комплексные частицы, называются комплексными соединениями.

Структура комплексных соединений

  1. Большинство комплексных соединений имеют внутреннюю и внешнюю сферы. Записывая химические формулы комплексных соединений, внутреннюю сферу заключают в квадратные скобки. Например, в комплексных соединениях К[Al(OH)4] и [Ca(NH3)8]Cl2, внутренней сферой являются группы атомов (комплексы) — [Al(OH)4] и [Ca(NH3)8]2+, а внешней сферой —  ионы К+ и Сl соответственно.
  2. Центральный атом или ион внутренней сферы называют комплексообразователем. Обычно, в качестве комплексообразователей выступают атомы или ионы металлов с достаточным количеством свободных орбиталей – это p-, d-, f- элементы: Cu2+, Pt2+, Pt4+, Ag+, Zn2+, Al3+и др. Но это может быть и атомы элементов, образующих неметаллы. Заряд комплексообразователя обычно положительный, но также может быть отрицательным или равным нулю и равен сумме зарядов всех остальных ионов.  В приведенных выше примерах комплексообразователями являются ионы Al3+и Ca2+.
  1. Комплексообразователь окружен и связан сигма-связью с ионами противоположного знака или нейтральными молекулами, так называемыми лигандами. В качестве лигандов в комплексных соединениях могут выступать такие анионы, как F– , OH, CN, CNS, NO2, CO32–, C2O42–и др., или нейтральные молекулы Н2О, NН3, СО, NО и др. В наших примерах это – ионы OH и молекулы NH3. Количество лигандов в различных комплексных соединениях лежит в пределах от 2 до 12. А само число лигандов (число сигма-связей) называется координационным числом (к.ч.) комплексообразователя. В рассматриваемых примерах к.ч. равно 4 и 8.
  1. Заряд комплекса (внутренней сферы) определяется как сумма зарядов комплексообразователя и лигандов.
  2. Внешнюю сферу образуют ионы, связанные с комплексом ионной или межмолекулярной связью и имеющие заряд, знак которого противоположен знаку заряда комплексообразователя. Числовое значение заряда внешней сферы совпадает с числовым значением заряда внутренней сферы. В формуле комплексного соединения записываются они за квадратными скобками. Внешняя сфера может и вовсе отсутствовать, в случае, если внутренняя сфера нейтральна. В приведенных примерах, внешнюю сферу образуют 1 ион K+ и 2 иона Cl соответственно.

Классификация комплексных соединений

Основываясь на различных принципах, комплексные соединения можно классифицировать различными способами:

  1. По электрическому заряду: катионные, анионные и нейтральные комплексы.
  • Катионные комплексы имеют положительный заряд и образуются если вокруг положительного иона координированы нейтральные молекулы. Например, [Al(H2O)6]Cl3, [Ca(NH3)8]Cl2
  • Анионные комплексы имеют отрицательный заряд и образуются, если вокруг положительного иона координированы атомы с отрицательной степенью окисления. Например, К[Al(OH)4], K2[BF4]
  • Нейтральные комплексы имеют заряд равный нулю и не имеют внешней сферы. Они могут образоваться при координации вокруг атома молекул, а также при одновременной координации вокруг центрального положительно заряженного иона отрицательных ионов и молекул.
  1. По количеству комплексообразователей
  • Одноядерные – комплекс содержит один центральный атом, например, K2[Be(SO4)2]
  • Многоядерные — комплекс содержит два и более центральных атомов, например, [CrFe(NH3)6(CN)6]
  1. По типу лиганда
  • Гидраты – содержат акво-комплексы, т.е. в качестве лигандов выступают молекулы воды. Например, [Cr(H2O)6]Br3, [Co(H2O)6]Br2
  • Аммиакаты – содержат аммин-комплексы, в которых в качестве лигандов выступают молекулы аммиака (NН). Например, [Zn(NH3)4]Cl2, [Ag(NH3)2]Cl
  • Карбонилы – в таких комплексных соединениях, в качестве лигандов выступают молекулы монооксида углерода. Например, [Ni(CO)4], .
  • Ацидокомплексы – комплексные соединения, содержащие в качестве лигандов кислотные остатки как кислородсодержащих, так и бескислородных кислот (F, Cl, Br, I, CN, NO2, SO42–, PO43–и др., а также ОН). Например, K4[Ni(CN)6], Na2[FeCl4]
  • Гидроксокомплексы— комплексные соединения, в которых в качестве лигандов выступают гидроксид-ионы: K2[Zn(OH)4], Cs2[Sn(OH)6]

Комплексные соединения могут содержать лиганды, относящиеся к различным классам приведенной классификации. Например: К[Pt(H2O)­3Br3], [Cr(NH3)4Br2]Br

  1. По химическим свойствам: кислоты, основания, соли, неэлектролиты:
  • Кислоты — H[AuBr4], H2[PtCl6]
  • Основания — [Cu(NH3)4](OH)2,[Ag(NH3)2]OH
  • Соли — Cs3[Al(OH)6], [Ni(H2O)4]Cl2
  • Неэлектролиты — [Pt(NH3)2Cl2]
  1. По количеству мест, занимаемых лигандом в координационной сфере

В координационной сфере лиганды могут занимать одно или несколько мест, т.е. образовывать с центральным атомом одну или несколько связей. По этому признаку различают:

  • Монодентатные лиганды – это такие лиганды как молекулы Н2О, NH3, CO, NO и др. и ноны CN, F, Cl, OH, SCN, и др.
  • Бидентатные лиганды. К такому типу лигандов относятся ионы H2N—CH2—COO, СО32−, SO42−, S2O32−, молекула этилендиамина H2N—CH2—CH2—H2N (сокращенно en).
  • Полидентатные лиганды. Это, например, органические лиганды, содержащие несколько групп — CN или  -COOH (ЭДТА). Некоторые полидентантные лиганды способны образовать циклические комплексы, называемые хелатными (например, гемоглобин, хлорофилл и др.)

Номенклатура комплексных соединений

Чтобы записать формулу комплексного соединения, необходимо помнить, что, как и любое ионное соединение, вначале записывается формула катиона, а после – формула аниона. При этом, формулу комплекса записывают в квадратных скобках, где вначале записывают комплексообразователь, затем лиганды.

А вот несколько правил, следуя которым составить название комплексного соединения не составит никакого труда:

  1. В названиях комплексных соединений, как и ионных солей, первым указывают анион, а затем – катион.
  2. В названии комплекса сначала указывают лиганды, а после – комплексообразователь. Лиганды перечисляют в алфавитном порядке.
  3. Нейтральные лиганды называются также, как молекулы, к анионным лигандам прибавляют окончание –о. В таблице ниже даны названия наиболее распространенных лигандов
ЛигандНазвание лигандаЛигандНазвание лиганда
enэтилендиаминO2-Оксо
H2OАкваHГидридо
NH3АмминH+Гидро
COКарбонилOHГидроксо
NOНитрозилSO42-Сульфато
NOНитрозоCO32-Карбонато
NO2НитроCNЦиано
N3АзидоNCSТиоционато
ClХлороC2O42-Оксалато
BrБромо 
  1. Если количество лигандов больше единицы, то их число указывают греческими приставками:

2-ди-, 3-три-, 4-тетра-, 5-пента-, 6-гекса-, 7-гепта-, 8-окта-, 9-нона-, 10-дека-.

Если же в названии самого лиганда уже присутствует греческая приставка, то название лиганда записывают в скобках и к нему прибавляют приставку типа:

2-бис-, 3-трис-, 4-тетракис-, 5-пентакис-, 6-гексакис-.

Например, соединение [Co(en)3]Cl3 называют – трис(этилендиамин)кобальт(III).

  1. Названия комплексных анионов оканчиваются суффиксом – ат
  2. После названия металла в скобках указывают римскими цифрами его степень окисления.

Например, назовем следующие соединения:

  • [Cr(H2O)4Cl2]Cl

Начнем с лигандов: 4 молекулы воды обозначаются как тетрааква, а 2 хлорид-иона – как дихлоро.

Далее указываем комплексообразователь – это хром и его степень окисления равна III.

Наконец, анионом в данном соединении является хлорид-ион.

Итак, полное название таково – хлорид тетрааквадихлорохрома(III)

  • K4[Ni(CN)4]

Начнем с лигандов: в комплексном анионе содержится 4 лиганда CN, которые называются тетрациано.

Далее указываем комплексообразователь – это никель и его степень окисления равна нулю.

Так как металл входит в состав комплексного аниона, то он называется никелат(0).

Итак, полное название таково – тетрацианоникелат(0) калия