Перейти к слайдам
Конспект 1 из 6Неорганическая химия

Координационные соединения и теория кристаллического поля

Номенклатура и изомерия комплексов, расщепление d-орбиталей, спиновое состояние, магнетизм и цвет, эффект Яна–Теллера, правило 18 электронов и константы устойчивости — с задачами уровня регионального этапа.

  • 16 слайдов
  • ≈ 45 мин
  • 2 интерактивные схемы
  • 5 задач с решением
  • муниципальный → заключительный

Почему [Fe(H₂O)₆]²⁺ притягивается магнитом, а [Fe(CN)₆]⁴⁻ — нет?

В обоих ионах железо(II) и шесть лигандов. Разница — в том, как лиганды «раздвигают» d-орбитали. Одна идея — расщепление d-уровня в поле лигандов — объясняет магнетизм, цвет, геометрию и даже устойчивость комплексов.

строение→ расщепление Δ→ спин→ μ, цвет, форма

Что будет

  • язык комплексов: КЧ, дентатность, номенклатура;
  • все виды изомерии и подсчёт изомеров;
  • теория кристаллического поля, ЭСКП;
  • высокий и низкий спин, магнитный момент;
  • цвет и энергия расщепления;
  • Ян–Теллер, 18 электронов, константы устойчивости;
  • задача «найдите X» про комплекс кобальта.

Язык комплексов

$\underbrace{\ce{K4}}_{\text{внешняя сфера}}\big[\underbrace{\ce{Fe}}_{\text{центр}}(\underbrace{\ce{CN}}_{\text{лиганд}})_{\underbrace{6}_{\text{КЧ}}}\big]$
  • Центральный атом — акцептор электронных пар (чаще d-металл, но и $\ce{B}$, $\ce{Al}$, $\ce{Si}$: $\ce{[BF4]-}$, $\ce{[AlF6]^3-}$, $\ce{[SiF6]^2-}$).
  • Лиганды — доноры пар: $\ce{H2O}$, $\ce{NH3}$, $\ce{Cl-}$, $\ce{CN-}$, $\ce{CO}$.
  • Координационное число (КЧ) — число связей металл–лиганд: 2 ($\ce{[Ag(NH3)2]+}$), 4 ($\ce{[Zn(OH)4]^2-}$), 6 ($\ce{[Co(NH3)6]^3+}$).
  • Дентатность — сколько атомов лиганда координируются: этилендиамин (en) и оксалат — 2, ЭДТА — 6.
Хелатный эффект

$\ce{[Ni(NH3)6]^2+ + 3en -> [Ni(en)3]^2+ + 6NH3}$, $K\approx10^{9}$.

Связи Ni–N почти одинаковы, ΔH ≈ 0. Выигрыш — энтропийный: из четырёх частиц получается семь.

Заряд комплекса = с.о. металла + сумма зарядов лигандов. В $\ce{K3[Fe(CN)6]}$: $x + 6\cdot(-1) = -3$, $x = +3$.

Номенклатура: как читать и составлять названия

  1. Сначала катион, потом анион — в русском названии анион идёт первым: «сульфат тетраамминмеди(II)».
  2. Лиганды — по алфавиту, кратность — приставками ди-, три-, тетра- (для сложных лигандов — бис-, трис-).
  3. Анионные лиганды на -о: хлоро, циано, гидроксо, оксо, нитро ($\ce{-NO2}$), нитрито ($\ce{-ONO}$), тиоцианато.
  4. Нейтральные: аква ($\ce{H2O}$), аммин ($\ce{NH3}$), карбонил ($\ce{CO}$), нитрозил ($\ce{NO}$).
  5. В анионном комплексе металл получает суффикс -ат и часто латинский корень: феррат, купрат, аргентат, аурат, станнат, плюмбат.
  6. Степень окисления — римской цифрой в скобках.
ФормулаНазвание
$\ce{K4[Fe(CN)6]}$гексацианоферрат(II) калия
$\ce{[Cu(NH3)4]SO4}$сульфат тетраамминмеди(II)
$\ce{[Co(NH3)5Cl]Cl2}$хлорид пентаамминхлорокобальта(III)
$\ce{Na[Al(OH)4]}$тетрагидроксоалюминат натрия
$\ce{[Ni(CO)4]}$тетракарбонилникель(0)
$\ce{[Pt(NH3)2Cl2]}$диамминдихлороплатина(II)
Ловушка

В старых задачниках встречается порядок «сначала анионные лиганды, потом нейтральные»: «хлоропентаамминкобальт». Оба названия поймут, но на олимпиаде надёжнее алфавитный порядок IUPAC.

Изомерия: шесть видов, которые встречаются в задачах

Структурная

  • Ионизационная: $\ce{[Co(NH3)5Br]SO4}$ (с $\ce{Ba^2+}$ — осадок) и $\ce{[Co(NH3)5SO4]Br}$ (с $\ce{Ag+}$ — осадок).
  • Гидратная: $\ce{CrCl3*6H2O}$ — фиолетовый $\ce{[Cr(H2O)6]Cl3}$, светло-зелёный $\ce{[Cr(H2O)5Cl]Cl2*H2O}$, тёмно-зелёный $\ce{[Cr(H2O)4Cl2]Cl*2H2O}$. Различают по числу $\ce{Cl-}$, осаждаемых $\ce{AgNO3}$: 3, 2, 1.
  • Связевая: $\ce{-NO2}$ (нитро, через N) и $\ce{-ONO}$ (нитрито, через O); $\ce{-SCN}$ и $\ce{-NCS}$.
  • Координационная: $\ce{[Co(NH3)6][Cr(CN)6]}$ и $\ce{[Cr(NH3)6][Co(CN)6]}$.

Пространственная (стереоизомерия)

  • Цис/транс: квадрат $\ce{MA2B2}$ и октаэдр $\ce{MA4B2}$. У тетраэдра цис/транс нет — все вершины соседние.
  • Гран/ос (fac/mer) у $\ce{MA3B3}$: три одинаковых лиганда на одной грани или на «меридиане».
  • Оптическая: $\ce{[M(AA)3]}$ — пропеллер Δ/Λ; цис-$\ce{[M(AA)2B2]}$ — тоже хирален, транс — нет.
Знаменитый пример

Цисплатин — цис-$\ce{[Pt(NH3)2Cl2]}$ — противоопухолевое средство; транс-изомер неактивен.

Сколько стереоизомеров у октаэдра

ТипИзомерыВсего
$\ce{MA5B}$один1
$\ce{MA4B2}$цис, транс2
$\ce{MA3B3}$fac, mer2
$\ce{M(AA)3}$Δ, Λ2
$\ce{M(AA)2B2}$транс + цис (Δ, Λ)3
$\ce{MA2B2C2}$5 геометрических, один из них хирален6
Метод для $\ce{MA2B2C2}$

Смотрим, какие пары лигандов стоят в транс-положении.

  • все три пары транс (A–A, B–B, C–C): 1;
  • одна пара транс, две другие цис: 3 варианта (транс-A, транс-B или транс-C) — 3;
  • все пары цис: хиральный — 2 энантиомера.

Итого $1 + 3 + 2 = 6$.

Задача · региональный этап

Сколько стереоизомеров у катиона $\ce{[Co(en)2Cl2]+}$? Какие из них оптически активны?

  1. Тип $\ce{M(AA)2B2}$: два бидентатных лиганда и два одинаковых монодентатных.
  2. Транс-изомер: два хлора на одной оси, два этилендиамина в экваториальной плоскости. Есть плоскость симметрии — не хирален.
  3. Цис-изомер: хлоры рядом, хелатные кольца «закручены» — изомер не совмещается со своим зеркальным отражением: пара Δ/Λ.
  4. 3 стереоизомера: транс (зелёный, оптически неактивен) и два цис-энантиомера (Δ и Λ).

Теория кристаллического поля (ТКП)

Лиганды — отрицательные точечные заряды (или диполи). Электрон на d-орбитали, направленной прямо на лиганд, отталкивается сильнее, и её энергия растёт.

  • Октаэдр: $d_{z^2}$ и $d_{x^2-y^2}$ смотрят на лиганды → уровень $e_g$ (+0,6Δ₀); $d_{xy}$, $d_{xz}$, $d_{yz}$ смотрят между ними → $t_{2g}$ (−0,4Δ₀).
  • Тетраэдр: наоборот, выше три орбитали ($t_2$, +0,4Δₜ), ниже две ($e$, −0,6Δₜ). $\Delta_t \approx \tfrac49\Delta_0$.
  • Квадрат: предельно вытянутый октаэдр; $d_{x^2-y^2}$ поднимается очень высоко. Типичен для $d^8$ в сильном поле: $\ce{Pt^2+}$, $\ce{Pd^2+}$, $\ce{Au^3+}$, $\ce{[Ni(CN)4]^2-}$.
$\text{ЭСКП} = (-0{,}4\,n_{t_{2g}} + 0{,}6\,n_{e_g})\,\Delta_0 \;+\; m\,P$m — число дополнительных пар по сравнению со свободным ионом, P — энергия спаривания
Правило центра тяжести

Средняя энергия пяти орбиталей не меняется: $3\cdot(-0{,}4) + 2\cdot(+0{,}6) = 0$.

Ловушка

$\ce{[NiCl4]^2-}$ — тетраэдр (слабое поле, парамагнетик), а $\ce{[Ni(CN)4]^2-}$ — квадрат (сильное поле, диамагнетик). Один металл, разная геометрия.

Высокий или низкий спин — решает сравнение Δ₀ и P

Выберите $d^6$ и нажмите $\ce{[Fe(H2O)6]^2+}$, потом $\ce{[Fe(CN)6]^4-}$: вода даёт Δ₀ меньше P — четыре неспаренных электрона; цианид — больше P, все шесть электронов спариваются на $t_{2g}$.

От чего зависит Δ: лиганд и металл

$\ce{I- < Br- < S^2- < SCN- < Cl- < F- < OH- < C2O4^2- < H2O < NCS- < NH3 < en < bipy < phen < NO2- < CN- \approx CO}$спектрохимический ряд: слева — слабое поле, справа — сильное

Лиганд

π-доноры (галогениды, $\ce{OH-}$) уменьшают Δ, π-акцепторы ($\ce{CO}$, $\ce{CN-}$, фосфины) увеличивают. Поэтому порядок не совпадает с зарядом: нейтральный $\ce{CO}$ сильнее $\ce{F-}$.

Заряд металла

$\ce{M^3+}$ даёт Δ в 1,5–2 раза больше, чем $\ce{M^2+}$: лиганды подходят ближе. $\ce{[Co(H2O)6]^3+}$ — уже низкоспиновый.

Период

При переходе 3d → 4d → 5d Δ растёт на 30–50 %: орбитали больше. Комплексы $\ce{Ru}$, $\ce{Rh}$, $\ce{Pd}$, $\ce{Pt}$ почти всегда низкоспиновые.

Запоминалка

Галогены в конце ряда слабых, вода — середина, аммиак сильнее воды, «углеродные» лиганды ($\ce{CN-}$, $\ce{CO}$) — самые сильные.

Магнетизм: считаем неспаренные электроны

$\mu_{\text{эфф}} = \sqrt{n(n+2)}\;\mu_B$чисто спиновое приближение; для 3d-металлов работает хорошо
n неспаренных12345
μ, μB1,732,833,874,905,92
dⁿвысокий спиннизкий спин
d⁴$t_{2g}^3e_g^1$ — 4$t_{2g}^4$ — 2
d⁵$t_{2g}^3e_g^2$ — 5$t_{2g}^5$ — 1
d⁶$t_{2g}^4e_g^2$ — 4$t_{2g}^6$ — 0
d⁷$t_{2g}^5e_g^2$ — 3$t_{2g}^6e_g^1$ — 1
Задача

Измеренный магнитный момент $\ce{K3[Fe(C2O4)3]}$ равен 5,9 μB, а $\ce{K3[Fe(CN)6]}$ — 2,3 μB. Объясните.

  1. Железо(III) — $d^5$.
  2. 5,9 μB ≈ $\sqrt{5\cdot7}$ = 5,92: пять неспаренных — высокий спин. Оксалат — лиганд слабого поля.
  3. 2,3 μB ближе всего к одному неспаренному (1,73). Завышение — вклад орбитального момента у $t_{2g}^5$. Цианид — сильное поле, низкий спин.
  4. Оксалатный комплекс высокоспиновый ($t_{2g}^3e_g^2$), цианидный — низкоспиновый ($t_{2g}^5$).

Цвет: d–d-переходы и энергия расщепления

Задача

$\ce{[Ti(H2O)6]^3+}$ поглощает при 500 нм. Найдите Δ₀ в кДж/моль и цвет раствора.

  1. $E = \dfrac{hcN_A}{\lambda} = \dfrac{6{,}626\cdot10^{-34}\cdot 3{,}00\cdot10^{8}\cdot 6{,}022\cdot10^{23}}{500\cdot10^{-9}}$ Дж/моль.
  2. $E \approx 2{,}39\cdot10^{5}$ Дж/моль = 239 кДж/моль. У $d^1$ один переход $t_{2g}\to e_g$, поэтому это и есть Δ₀.
  3. Δ₀ ≈ 239 кДж/моль; поглощается зелёный свет — раствор красно-фиолетовый.
Бесцветные

$d^0$ и $d^{10}$ ($\ce{Sc^3+}$, $\ce{Zn^2+}$, $\ce{Cu+}$, $\ce{Ag+}$) — d–d-переходов нет. $\ce{[Mn(H2O)6]^2+}$ ($d^5$, высокий спин) — едва розовый: переход запрещён по спину.

Перенос заряда

Интенсивный цвет $\ce{MnO4-}$ и $\ce{CrO4^2-}$ при $d^0$ — не d–d, а перенос электрона с кислорода на металл (ПЗЛМ). Такие полосы в сотни раз ярче.

Эффект Яна–Теллера: почему медь(II) «вытягивает» октаэдр

Если вырожденный уровень заселён неравномерно, молекула искажается и снимает вырождение — так энергия ниже.

  • Сильный эффект — неравномерно заселён $e_g$ (эти орбитали смотрят на лиганды): $d^9$ ($\ce{Cu^2+}$), высокоспиновый $d^4$ ($\ce{Cr^2+}$, $\ce{Mn^3+}$), низкоспиновый $d^7$.
  • Слабый — неравномерен только $t_{2g}$ ($d^1$, $d^2$, низкоспиновые $d^4$, $d^5$).
  • Нет эффекта: $d^3$, $d^8$, высокоспиновый $d^5$, низкоспиновый $d^6$, $d^{10}$.
Следствия в задачах
  • В растворе аммиака медь даёт $\ce{[Cu(NH3)4(H2O)2]^2+}$: четыре коротких связи в плоскости и две длинных. Пятый и шестой $\ce{NH3}$ присоединяются очень слабо — отсюда «квадратный» тетраамминовый комплекс.
  • Константы устойчивости меди резко падают после четвёртого лиганда: $\lg K_5 < 0$.
  • $\ce{Cr^2+}$ и $\ce{Mn^3+}$ в кристаллах — всегда в искажённых октаэдрах.

ЭСКП в термодинамике: «двугорбая» кривая и шпинели

Энтальпии гидратации $\ce{M^2+}$

От $\ce{Ca^2+}$ к $\ce{Zn^2+}$ радиус уменьшается, и $|\Delta H_{\text{гидр}}|$ должна расти плавно. На деле кривая с двумя «горбами»: минимумы у $d^0$, $d^5$ (высокий спин) и $d^{10}$, где ЭСКП = 0, максимумы у $d^3$ и $d^8$.

Ряд Ирвинга–Уильямса — устойчивость комплексов $\ce{M^2+}$: $\ce{Mn < Fe < Co < Ni < Cu > Zn}$. Медь «выпадает» вверх благодаря Яну–Теллеру.

Шпинели $\ce{AB2O4}$

Катион с большей ЭСКП в октаэдре стремится в октаэдрические пустоты.

  • $\ce{Fe3O4}$ — обращённая шпинель: $\ce{Fe^3+}$ ($d^5$, ЭСКП = 0) уходит в тетраэдры, $\ce{Fe^2+}$ ($d^6$) занимает октаэдры.
  • $\ce{Mn3O4}$ и $\ce{Co3O4}$ — нормальные: $\ce{Mn^3+}$ и низкоспиновый $\ce{Co^3+}$ ($t_{2g}^6$) выигрывают в октаэдре больше всех.

Правило 18 электронов: карбонилы и сэндвичи

Устойчивые металлоорганические комплексы (сильное поле, π-акцепторы) набирают 18 электронов — оболочку благородного газа: $ns^2(n-1)d^{10}np^6$.

Счёт в нейтральной модели: электроны металла = номер группы; $\ce{CO}$, $\ce{PR3}$ дают по 2; $\ce{Cl}$, $\ce{H}$, $\ce{CH3}$ — по 1; $\ce{C5H5}$ — 5; $\ce{C6H6}$ — 6; связь M–M — по 1 каждому металлу.

КомплексСчётΣ
$\ce{Cr(CO)6}$6 + 6·218
$\ce{Fe(CO)5}$8 + 5·218
$\ce{Ni(CO)4}$10 + 4·218
$\ce{Mn2(CO)10}$7 + 5·2 + 1 (Mn–Mn)18
$\ce{Fe(C5H5)2}$ (ферроцен)8 + 2·518
Нечётная группа → димер

Mn, Co с нечётным числом электронов не могут набрать 18 с одними CO — образуют связь металл–металл: $\ce{Mn2(CO)10}$, $\ce{Co2(CO)8}$.

Исключение

$\ce{V(CO)6}$ — 17 электронов, парамагнитен: шесть CO уже не помещаются вокруг ванадия для димеризации. Легко восстанавливается до $\ce{[V(CO)6]-}$.

Как используют

«Найдите X»: металл образует карбонил с 28,5 % металла по массе (это ${Fe(CO)5}$) — перебираем $\ce{M(CO)_n}$ так, чтобы Σ = 18.

Константы устойчивости и растворение осадков

$\ce{M + nL <=> ML_n}\qquad \beta_n = \dfrac{[\ce{ML_n}]}{[\ce{M}][\ce{L}]^n} = K_1K_2\cdots K_n$
  • Обычно $K_1 > K_2 > \dots$ — статистика и отталкивание лигандов.
  • ЖМКО Пирсона: жёсткие кислоты ($\ce{Fe^3+}$, $\ce{Al^3+}$) любят жёсткие основания ($\ce{F-}$, $\ce{OH-}$); мягкие ($\ce{Ag+}$, $\ce{Hg^2+}$, $\ce{Pt^2+}$) — мягкие ($\ce{I-}$, $\ce{S^2-}$, $\ce{CN-}$).
  • Растворение осадка в лиганде: $K = K_s\cdot\beta_n$.
Задача

Растворится ли $\ce{AgCl}$ и $\ce{AgI}$ в 1 М аммиаке? $K_s(\ce{AgCl}) = 1{,}8\cdot10^{-10}$, $K_s(\ce{AgI}) = 8{,}5\cdot10^{-17}$, $\beta_2(\ce{[Ag(NH3)2]+}) = 1{,}7\cdot10^{7}$.

  1. $\ce{AgX + 2NH3 <=> [Ag(NH3)2]+ + X-}$, $K = K_s\beta_2$.
  2. Для AgCl $K = 3{,}1\cdot10^{-3}$. Если растворилось $s$ моль/л: $\dfrac{s^2}{(1-2s)^2} = K$, $\dfrac{s}{1-2s} = 0{,}055$, $s \approx 0{,}050$ моль/л.
  3. Для AgI $K = 1{,}4\cdot10^{-9}$, $s \approx \sqrt{K} = 3{,}8\cdot10^{-5}$ моль/л.
  4. AgCl растворяется (≈ 7 г/л), AgI практически нет — так разделяют галогениды в качественном анализе.

Задача «найдите X»: комплекс кобальта

Региональный этап · в духе ВсОШ

Розово-фиолетовая соль A содержит кобальт (23,53 % по массе), азот, водород и хлор; она диамагнитна. При действии избытка $\ce{AgNO3}$ на раствор 0,2500 г A на холоду сразу выпадает 0,2861 г AgCl. После кипячения фильтрата выпадает ещё 0,1431 г AgCl. Установите формулу и название A.

  1. Молярная масса на один атом Co: $58{,}93/0{,}2353 = 250{,}4$ г/моль.
  2. $n(\ce{A}) = 0{,}2500/250{,}4 = 9{,}98\cdot10^{-4}$ моль. Сразу выпало $0{,}2861/143{,}3 = 1{,}997\cdot10^{-3}$ моль AgCl — два хлорид-иона во внешней сфере.
  3. После кипячения — ещё $0{,}1431/143{,}3 = 9{,}99\cdot10^{-4}$ моль: один хлор был во внутренней сфере и замещается медленно. Всего Cl — 3.
  4. Остаток массы: $250{,}4 - 58{,}93 - 3\cdot35{,}45 = 85{,}1$ г/моль — это $5\ce{NH3}$ (85,15).
  5. Заряд: $x + 5\cdot0 + (-1) = +2$ → Co(III), $d^6$. Аммиак — лиганд сильного поля для $\ce{Co^3+}$: $t_{2g}^6$, диамагнетик — сходится с условием.
  6. A — $\ce{[Co(NH3)5Cl]Cl2}$, хлорид пентаамминхлорокобальта(III).
Общий приём

Разное поведение хлора «на холоду» и «при кипячении», электропроводность раствора (число ионов) и осаждение $\ce{Ag+}$/$\ce{Ba^2+}$ — стандартные способы в задачах отличить внешнюю сферу от внутренней.

Шпаргалка

  • Октаэдр: $t_{2g}$ −0,4Δ₀, $e_g$ +0,6Δ₀; тетраэдр: $\Delta_t \approx \tfrac49\Delta_0$, всегда высокий спин.
  • Δ₀ > P — низкий спин; сильное поле: $\ce{CN-}$, $\ce{CO}$, $\ce{NO2-}$, en; $\ce{M^3+}$; 4d/5d.
  • $\mu = \sqrt{n(n+2)}$: 1,73 · 2,83 · 3,87 · 4,90 · 5,92.
  • $E = 119\,600/\lambda(\text{нм})$ кДж/моль; цвет — дополнительный к поглощённому.
  • Ян–Теллер: $d^9$, $d^4$ (HS), $d^7$ (LS).
  • 18 электронов: группа металла + 2 на CO; нечётные — димеры.
  • Растворение осадка: $K = K_s\beta_n$.

Откуда материал

  • Ю. Д. Третьяков (ред.) «Неорганическая химия», т. 1 — координационные соединения, ТКП.
  • Д. Шрайвер, П. Эткинс «Неорганическая химия» — теория поля лигандов, 18 электронов.
  • Н. Е. Кузьменко, В. В. Еремин, В. А. Попков «Начала химии» — комплексы в задачах.
  • Списки литературы: olimpiada.ru, Химфак МГУ.

Дальше — строение молекул: ОЭПВО и молекулярные орбитали.

← → листать · O все слайды · F весь экран · на телефоне — свайп · решения задач открываются по шагам: сначала попробуйте сами
Олимпиадная теория

Все конспекты раздела

Шесть конспектов — по два на неорганику, органику и физическую химию. Новые появляются по мере готовности.

Проверьте себя на задачах

Олимпиадные задачи с полным разбором — от школьного этапа до регионального.