第10章配位化合物

第10章配位化合物CoordinationCompounds学习要求1、掌握配合物的基本概念和配位键的本质；2、掌握配合物价键理论的主要论点，并能熟练进行应用。3、能够运用配离子稳定常数进行有关配位平计算；4、理解配位平衡的复杂性和四大平衡之间的相互影响，对多重平衡进行简单的近似计算。10.1配位化合物概述10.1.1配位化合物的含义CuSO4＋4NH3＝[Cu(NH3)4]SO4配合物的形成深蓝色晶体加入酒精过滤把纯净的深蓝色的硫酸四氨合铜晶体溶于水，分成三分，进行如理实验：（1）用pH试纸测定酸碱度：pH=7说明没有明显NH3，（2）加入稀NaOH时无沉淀生成，说明无简单Cu2+离子（3）加入BaCl2+HNO3溶液有沉淀生成，示有SO42-离子+由以上实验事实可以推知，在铜氨溶液中，无简单Cu2+离子，有简单SO42-离子，无大量NH3，根据进一步的实验（元素含量分析）可以得出铜氨晶体的组成为[Cu(NH3)4]SO4配合物的定义由复杂离子和简单的反号离子结合而成的化合物。铜氨配离子Cu2+NH3NH3NH3NH3如：Cu2++4NH3==Cu(NH3)42+特点：稳定单元结构中有配位键。具体地说：它是由中心离子(或原子)(centralionoratom)和配位体(ligand)(阴离子或分子）以配位键(coordinatingbond)的形式结合而成的复杂离子(或分子)，通常称这种复杂离子为配位单元。凡是含有配位单元的化合物统称为配合物(coordinationcompound)。电中性配合物——如Fe(CO)5、Co(NH3)3Cl3配离子——Cu(NH3)42+、Ag(CN)2-配酸H2[PtCl6]、配碱[Cu(NH3)4](OH)2、配盐[Cu(NH3)4]SO4（这些都可电离出配离子）配合物10.1.2配位化合物的组成Cu2+NH3NH3H3NH3NSO42-配位体:NH3配位原子:N中心离子:Cu2+配位数←中心离子←中心离子←中心原子←配位体←外界←配位体配位体内界(配离子)外界内界内界内界[Cu(NH3)4]2+外界SO42-配合物[Cu(NH3)4]SO4阳离子(多)中性原子(少)Fe(CO)5,Ni(CO)4金属元素(多)非金属元素(少)1.中心离子（或中心原子）也称为配合物的形成体2.配位体和配位原子enCONHOH32中性分子配位体简称配体在配体中提供、直接与中心离子（或原子）结合的原子。例如，NH3中的N原子。配位原子常是ⅤA、ⅥA、ⅦA族的元素。配位原子(coordinatingatom)是含有孤对电子的阴离子或中性分子●单基配体monodentateligand(单齿配体)：一个配体中只含一个配位原子.●多基配体(polydentateligand)（或多齿配体）含有两个或两个以上配位原子的配位体。二齿配体：六齿配体：乙二胺四乙酸根EDTAHOOCH2CNHCH2COO-CH2COOHNHCH2CH2-OOCH2C++乙二胺（en）乙二酸根（草酸根）配位数=配位原子数单齿配体：配位数=配体数多齿配体：配位数=配体数×齿数3.配位数直接与中心离子或原子配合的配位原子数，叫做该中心离子或原子的配位数(coordinationnumber)。一般说来:(1)金属离子的半径越大，电荷越高，配位数越大。(2)对同一中心离子或原子，配位体的半径越大，中心离子周围容纳的配位体越少，配位数越小；如，Al3+和Cl可形成AlCl4-，而Al3+和F可形成AlF63-；常见金属离子的配位数1价金属离子2价金属离子3价金属离子Cu+2,4Ca2+6Al3+4,6Ag+2Mg2+6Cr3+6Au+2,4Fe2+6Fe3+6Co2+4,6Co3+6Cu2+4,6Au3+4Zn2+4,6配离子(complexion)的电荷数等于中心离子的电荷数与配位体电荷数的代数和，配分子的电荷数为0。4.配离子的电荷11.1.4命名(nomenclature)配酸：×××酸配碱：氢氧化×××配盐：先阴离子后阳离子，简单酸根加“化”字，复杂酸根加“酸”字配体数配体名称合中心元素名称（氧化态值)以二、三、四表示不同配体“•”分开以罗马数字Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ表示命名原则▲若含有多种配体时，先无机后有机，先简单后复杂.▲若为多种无机配体时，先阴离子后中性分子.▲若为同类配体时，按配位原子元素符号的英文字母顺序排列，如先NH3后H2O按照中国化学会无机专业委员会制定规则命名[Cu(NH3)4]2+铜氨配离子[Ag(NH3)2]+银氨配离子K2[PtCl6]氯铂酸钾等。K3[Fe(CN)6]铁氰化钾(俗名赤血盐)K4[Fe(CN)6]亚铁氰化钾(俗名黄血盐)一些习惯叫法硫酸四氨合铜（Ⅱ）六异硫氰根合铁（Ⅲ）酸钾六氯合铂（Ⅳ）酸氢氧化四氨合铜（Ⅱ）五氯•氨合铂（Ⅳ）酸钾硝酸羟基•三水合锌（Ⅱ）(三)氯化五氨•水合钴（Ⅲ）五羰（基）合铁三硝基•三氨合钴（Ⅲ）乙二胺四乙酸根合钙（Ⅱ）配合物命名举例10.1.4螯合物螯合物(chelate)是由多基配位体与一个中心离子（或原子）形成的具有环状结构的配合物，也称内配合物。例如乙二胺和Cu2+形成的螯合物：Cu2++2H2NCH2CH2NH2=一般说来螯合物以五员环、六员环最稳定，且一个配位体与中心离子形成环的数目越多，螯合物越稳定。又如Ca2+与EDTA（乙二胺四乙酸）形成的螯合物有五个五员环。螯合物由于螯环的存在而具有特殊稳定性的现象，称为螯合效应（chelateeffect）。往硫酸镍溶液中加入少量氨水，再滴入几滴丁二酮肟，可观察到鲜红色的沉淀。让我们解释这个实验事实。螯合物除有特殊的稳定性外，大多数还具有特征的颜色，并且难溶于水，较易溶于有机溶剂。因此，在分析化学中常用于检验金属离子的存在和比色分析中。10.2配合物的价键理论目前有三种理论讨论配合物中的化学键.这里介绍价键理论（实际上只是把杂化轨道扩大到d轨道）和晶体场理论的基础.分子轨道理论.●形成体(M)有空轨道，配位体(L)有孤对电子，形成配位键ML●形成体(中心离子)采用杂化轨道成键●杂化方式与空间构型可形成内轨型配合物(insideorbitaltype)和外轨型配合物(outerorbitaltype)两种类型。10.2.1价键理论的要点(valencebondtheory)同一原子内，轨道的杂化和不同原子间轨道的重叠构成了共价键理论的核心论点之一。1.价键理论的要点10.2.2.配离子的形成(1)配位数为2的配离子直线形])[Ag(NH23])[Ag(NH23[]NH3NH34dsp5pAg4d5s5p[Ag(NH3)2]+:Ag+的价层电子排布为4d105s05p0(2)配位数为4的配离子[Zn(NH3)4]2+：Zn2+价层电子排布为3d104s04p0NH3NH3NH3NH3[Zn(NH3)4]2+3dsp3杂化轨道Zn2+3d4s4p以上两例，中心离子都全部用外层轨道进行杂化，这样生成的配合物叫做外轨型配合物。2Ni3d4s5p[]-CN-CN-CN-CN24][Ni(CN)3d4s4pdsp2杂化又如Ni(CN)42+:Ni2+价层电子构型为3d84s04p0Ni2+与CN－形成配位键时，次外层d轨道参与了杂化，这种使用内层轨道进行杂化而生成的配合物叫做内轨型配合物。[]-Cl-Cl-Cl-Clsp3杂化24][NiCl3d4s4p外轨型配合物(3)配位数为6的配离子FeF63+:Fe3+价电子结构为3d54s04p04d0，配体F－电负性大，吸引电子能力强，不易给出孤对电子，所以F－对Fe3+影响很小。外轨配合物(innerorbitalcomplexes)配位原子的电负性很大，如卤素、氧等,不易给出孤电子对，使中心离子的结构不发生变化，仅用外层的空轨道ns，np，nd进行杂化生成能量相同，数目相等的杂化轨道与配体结合[Fe(CN)6]3-内轨配合物(outerorbitalcomplexes)配位原子的电负性较小,如氰基(CN-,以C配位),氮(-NO2,以N配位),较易给出孤电子对,对中心离子的影响较大,使电子层结构发生变化,(n-1)d轨道上的成单电子被强行配位(需要的能量叫“成对能”)腾出内层能量较低的d轨道接受配位体的孤电子对,形成内轨配合物.对价键理论的评价很好地解释了配合物的空间构型、磁性、稳定性。直观方便。1.不能定量或半定量地说明配合物的性质。2.无法解释配合物的颜色(吸收光谱)。10.2.3配合物的磁性（自学）10.3配位平衡和其它化学平衡一样，配离子、中心离子、配位体之间也存在平衡。10.3.1配位化合物的稳定常数通过实验说明：：加NaOH无沉淀，加Na2S有黑色沉淀，说明有少量存在。2Cu243)(NHCu1.稳定常数24332)Cu(NH4NHCu]NH[]Cu[])Cu(NH[432243θfK通常Kfθ越大，配离子越稳定。Kfθ称为配离子的稳定常数(formationconstant)▲解离常数1θfθdKK2、逐级稳定常数K1θ＝——————————[Cu(NH3)2+][Cu2+]×[NH3]K2θ＝————————————[Cu(NH3)22+][Cu(NH3)2+][NH3]多配位数配合物的生成是分步进行的，如：K3θ＝———————————[Cu(NH3)32+][Cu(NH3)22+][NH3]K4θ＝————————————[Cu(NH3)42+][Cu(NH3)32+][NH3]K稳＝K1·K2·K3·K4lgK稳＝lgK1＋lgK2＋lgK3＋lgK4由此可以得出第一级稳定常数第二级稳定常数第三级稳定常数第四级稳定常数Cu2+＋NH3Cu(NH3)2+Cu(NH3)22+＋NH3Cu(NH3)32+Cu(NH3)2+＋NH3Cu(NH3)22+Cu2+＋4NH3Cu(NH3)42+Cu(NH3)32+＋NH3Cu(NH3)42+10.3.2配位平衡的计算1.计算配位平衡中各组分的浓度室温下，0.010mol的AgNO3(s)溶于1.0dm30.030mol·dm-3的NH3·H2O中（设体积不变），计算该溶液中游离的Ag+、NH3和的浓度.ExampleSolution很大，可假设溶于NH3·H2O后全部生成了2.配位平衡与酸碱平衡共存从配合物的组成可看出，配位体大多数是一些能与H+结合生成弱酸的阴离子或分子。如F、CN、SCN、NH3等，而且中心离子在碱性条件下亦发生水解，因此，改变溶液的pH，会使配位平衡发生移动。43323222(:)NHHHNONHAgNHAg酸碱平衡加入请看反应Kj是总反应的平衡常数。Kj越大，配离子越易破坏。Kj由Kf和Ka决定，Kf越小，Kj越大，即配离子稳定性小，易被破坏；Ka小，即酸越弱，配离子越易破坏。这就是酸效应（acideffect）。)(1)((:22(:23223223242322324423.))NHKNHHNHAgNHNHAgHNHAgNHAgNHAgHNHAgKKfaj同乘平衡为总反应为3.配位平衡与沉淀溶解平衡共存)105.1(2)()107.7(2(1632313323)AgIAgBrspspKNHAgIINHAgKNHAgBrBrNHAg平衡时，竞争常数为：fspKKNHAgAgXAgNHNHAgXNHKj1(())23232323可见，Ksp与Kf越小，Kj越大，即溶度积越小，配离子越不稳定，转化越完全。难溶物也可转化为配离子。AgCl可溶于氨水，但更易溶于氰化物中。例10.4欲使0.1molAgBr沉淀溶解于1.0dm3Na2S2O3溶液中,问Na2S2O3溶液的初始浓度c(Na2S2O3)至少是多少?解：查表知，Kfθ(Ag(S2O3))=2.81013，Ksp