20.2: Związki koordynacyjne i nazewnictwo

W większości związków pierwiastków z grupy głównej elektrony walencyjne izolowanych atomów łączą się, tworząc wiązania chemiczne spełniające regułę oktetu. Na przykład cztery elektrony walencyjne węgla nakładają się na elektrony z czterech atomów wodoru, tworząc CH4. Jeden elektron walencyjny opuszcza sód i dodaje się do siedmiu elektronów walencyjnych chloru, tworząc jednostkę wzoru jonowego NaCl (rysunek 1a). Metale przejściowe zwykle nie wiążą się w ten sposób. Tworzą one przede wszystkim koordynacyjne wiązania kowalencyjne, formę interakcji kwas Lewisa z zasadą, w której oba elektrony w wiązaniu są wnoszone przez donora (zasadę Lewisa, np. cząsteczkę amoniaku) do akceptora elektronów (kwas Lewisa, np. jon kobaltu). (Rysunek 1b). Kwas Lewisa w kompleksach koordynacyjnych, zwany centralnym jonem metalu (lub atomem), jest często metalem przejściowym lub wewnętrznym metalem przejściowym. Donorami zasady Lewisa, zwanymi ligandami, może być wiele różnych substancji chemicznych - atomy, cząsteczki lub jony. Jedynym warunkiem jest to, że mają jedną lub więcej par elektronów, które mogą zostać oddane metalowi centralnemu. Najczęściej dotyczy to atomu donora (atom azotu, rys. 1b) z wolną parą elektronów, które mogą tworzyć wiązanie koordynacyjne z metalem.

Rysunek 1 (a) Wiązania kowalencyjne obejmują współdzielenie elektronów, a wiązania jonowe obejmują przenoszenie elektronów związanych z każdym atomem wiążącym, jak wskazują kolorowe elektrony. (b) Jednakże koordynacyjne wiązania kowalencyjne obejmują elektrony z zasady Lewisa przekazywane do metalowego centrum. Samotne pary sześciu cząsteczek amoniaku tworzą wiązania z jonem kobaltu, tworząc kompleks oktaedryczny.

Sfera koordynacyjna składa się z centralnego jonu lub atomu metalu oraz przyłączonych do niego ligandów. Nawiasy we wzorze obejmują sferę koordynacyjną. Elementy poza nawiasami nie są częścią sfery koordynacyjnej. Liczba koordynacyjna centralnego jonu lub atomu metalu to liczba związanych z nim atomów dawcy. Liczba koordynacyjna jonu srebra w [Ag(NH3)2]+ wynosi dwa; dla jonu miedzi(II) w [CuCl4]2− liczba koordynacyjna wynosi cztery; natomiast dla jonu kobaltu(II) w [Co(H2O)6]2+ liczba koordynacyjna wynosi sześć.

Nazewnictwo związków

Nazewnictwo związków wzorowane jest na systemie zaproponowanym przez Alfreda Wernera, szwajcarskiego chemika i laureata Nagrody Nobla, którego wybitna praca ponad 100 lat temu położyła podwaliny pod lepsze zrozumienie tych związków. Do nazewnictwa kompleksów stosuje się pięć następujących zasad:

1. Jeżeli związek koordynacyjny jest jonowy, należy najpierw nazwać kation, a następnie anion, zgodnie ze zwykłą nomenklaturą.
2. Najpierw nazywamy ligandy, a następnie metal centralny. Ligandy nazywamy alfabetycznie. Ujemne ligandy (aniony) nazywane są poprzez dodanie -o do nazwy rdzenia grupy. W przypadku większości obojętnych ligandów używana jest nazwa cząsteczki. Cztery typowe wyjątki to woda (H2O), amina (NH3), karbonyl (CO) i nitrozyl (NO). Na przykład nazywamy [Pt(NH3)2Cl4] jako diaminotetrachloroplatynę(IV).
3. Jeżeli występuje więcej niż jeden ligand danego typu, liczba jest oznaczona przedrostkami di- (dla dwóch), tri- (dla trzech), tetra- (dla czterech), penta- (dla pięciu) i hexa- (dla sześciu). Czasami przedrostki bis- (dla dwóch), tris- (dla trzech) i tetrakis- (dla czterech) są używane, gdy nazwa liganda zawiera już di-, tri- lub tetra- lub gdy nazwa ligandu zaczyna się od samogłoski. Na przykład jon bis(bipirydylo)osm(II) wykorzystuje bis- do oznaczenia, że do Os są przyłączone dwa ligandy, a każdy ligand bipirydylowy zawiera dwie grupy pirydynowe (C5H4N).

Gdy związkiem jest kation lub cząsteczka obojętna, nazwę centralnego atomu metalu zapisuje się dokładnie tak samo, jak nazwę pierwiastka, po której następuje cyfra rzymska w nawiasie, wskazująca jego stopień utlenienia.

Gdy związek jest anionem, do rdzenia nazwy metalu dodaje się przyrostek -ek, po którym następuje cyfra rzymska oznaczająca jego stopień utlenienia. Czasami łacińska nazwa metalu jest używana, gdy angielska nazwa jest niezręczna. Na przykład zamiast żelaza stosuje się nadżelazian, zamiast ołowianu stosuje się ołowian, a zamiast cynianu.

Stopień utlenienia metalu określa się na podstawie ładunków każdego ligandu i całkowitego ładunku kompleksu koordynacyjnego. Na przykład w [Cr(H2O)4Cl2]Br kula koordynacyjna (w nawiasach) ma ładunek 1+, aby zrównoważyć jon bromkowy. Ligandy wodne są obojętne, a ligandy chlorkowe są anionowe z ładunkiem 1− każdy. Aby określić stopień utlenienia metalu, całkowity ładunek jest równy sumie ligandów i metalu: +1 = -2 + x, więc stopień utlenienia (x) jest równy +3.

Związki koordynacyjne to neutralne gatunki składające się z obojętnego kompleksu lub naładowanych jonów kompleksu i przeciwnie naładowanych przeciwjonów. Jon złożony jest centralnym jonem metalu związanym z cząsteczkami lub jonami, znanymi jako ligandy.

Ligandy to związki z jedną lub więcej parami elektronów. Działają jak zasady Lewisa, przekazując parę elektronów jonowi metalu, który działa jak kwas Lewisa, tworząc koordynacyjne wiązanie kowalencyjne. Razem tworzą sferę koordynacyjną.

W 1893 roku Alfred Werner zaproponował teorię koordynacji, aby wyjaśnić, dlaczego określone stabilne cząsteczki reagują i naruszają teorię walencyjną, tworząc związki koordynacyjne. Badając różne kompleksy kobaltowo-amoniakalne, Werner postulował, że centralny atom metalu wykazuje dwa rodzaje oddziaływań walencyjnych.

Wartościowość pierwotna to stopień utlenienia metalu centralnego, podczas gdy wartościowość wtórna to liczba związanych z nim ligandów, zwana również liczbą koordynacyjną. Tak więc, jeśli liczba związanych ligandów zmniejszy się, przeciwjony mogą wiązać się bezpośrednio z jonem metalu, utrzymując wtórną wartościowość.

Teoria koordynacji Wernera jest obecnie używana do pisania wzorów chemicznych związków koordynacyjnych. Zacznij od symbolu jonu metalu, a następnie wymień wszystkie ligandy w kolejności alfabetycznej. Umieść w nawiasach kwadratowych jon złożony i wymień jony licznika na końcu. Użyj indeksów numerycznych, aby wskazać liczbę ligandów i zaangażowanych przeciwjonów.

Aby uzyskać systematyczne nazewnictwo związków koordynacyjnych, najpierw nazwij jony złożone. Zacznij od alfabetycznego spisu ligandów. Ligand anionowy kończy się literą -o, podczas gdy ligand neutralny jest oznaczony nazwą molekularną z kilkoma wyjątkami, takimi jak aqua i ammine.

Użyj greckich przedrostków, takich jak di-, tri- lub tetra-, aby oznaczyć liczbę ligandów. Jeśli przedrostek jest już obecny w nazwie liganda, naprzemiennie używaj przedrostków do bistri- lub tetrakis z nazwą liganda w nawiasach.

Następnie nazwij nazwę metalu i jego stopień utlenienia, używając cyfr rzymskich w nawiasach. W przypadku kompleksu anionowego nazwa metalu jest poprzedzona przyrostkiem -ate.

Na koniec związek koordynacyjny nazywa się, dodając najpierw nazwę kationu, a następnie anion. Tak więc dwa związki koordynacyjne nazywane są bromkiem aminchlorobis(etylenodiamaminy)kobaltu(III) i diakwatetrachlorokobaltanem(III) amonu.