Двенадцатый класс → d-элементы и f-элементы ↓
Координационная химия элементов d-блока
Координационная химия является важной темой в химии элементов d-блока. Она исследует, как переходные металлы образуют комплексы с лигандами, молекулами или ионами, которые могут предоставить пару электронов металлу. Область координационной химии имеет ключевое значение для многих процессов в природе и технологиях, включая катализ, материаловедение и биоорганическую химию.
Введение в элементы d-блока
Элементы d-блока, также называемые переходными металлами, находятся в средней части периодической таблицы, охватывающей группы с 3 по 12. Эти элементы характеризуются наличием частично заполненной d-подоболочки в их атомной или ионной формах. Их заметные свойства включают способность образовывать различные степени окисления, демонстрировать широкий спектр цветов в их соединениях и образовывать комплексные ионы с лигандами.
Лиганды: Координационные партнёры
Лиганды — это атомы, ионы или молекулы, которые могут предоставить по крайней мере одну пару электронов центральному атому или иону металла в координационном комплексе. Они могут быть классифицированы в зависимости от их дентальности, которая указывает количество донорных сайтов. В общем, лиганды классифицируются как:
- Монодентатные лиганды: Эти лиганды имеют только один донорный сайт. Примеры включают
NH3(аммиак),H2O(вода) иCl-(ион хлорида). - Бидентатные лиганды: Эти лиганды имеют два донорных сайта. Примеры включают
этилендиамин (en)иоксалатный ион (C2O42-). - Полидентатные лиганды: Эти лиганды имеют более двух донорных сайтов. Примером является
EDTA4-(этилендиаминтетраацетат), который может связываться с металлом на шести координационных сайтах.
Комплексы и координационные числа
Координационные соединения содержат центральный атом или ион металла, связанный с группой лигандов. Координационное число металла в соединении относится к общему числу координационных связей, образованных между центральным металлом и лигандами. Некоторые общие координационные числа включают:
- Координационное число 4: Комплексы часто имеют тетраэдрическую или квадратную плоскую геометрию. Пример квадратного плоского комплекса —
[PtCl4]2- - Координационное число 6: Наиболее распространенной геометрией для координационного числа шесть является октаэдрическая. Примером этого является
[Co(NH3)6]3+
Другие координационные числа также могут возникать, но они менее распространены в комплексах переходных металлов.
Электронная конфигурация и связь в координационных соединениях
Элементы d-блока имеют уникальные электронные конфигурации благодаря участию d-орбиталей, что значительно влияет на их химическое поведение и характеристики связывания. Электронная конфигурация этих элементов может быть выражена как:
[благородный газ] (n-1)dx nsy
Где x представляет количество электронов на d-орбитали, а y представляет количество электронов на s-орбитали. Координационные соединения образуются, когда ион металла принимает электронные пары от лиганда в свою d-орбиталь.
Теория кристаллического поля (CFT)
Теория кристаллического поля (CFT) — это модель, которая описывает электронную структуру комплексов переходных металлов. Она сосредоточена на эффекте электростатического взаимодействия между электронами иона металла и лиганда. Наличие лиганда влияет на уровни энергии d-орбиталей, расщепляя их на различные энергетические состояния.
В октаэдрическом соединении пять d-орбиталей расщепляются на два набора: орбитали t2g (низкая энергия) и орбитали eg (высокая энергия). Это расщепление может быть представлено как:
E | --- eg | --- t2g |
Размер расщепления зависит от нескольких факторов, включая природу иона металла и тип лиганда. Сильные поле лиганды, такие как CN- и CO, вызывают значительное расщепление d-орбиталей, тогда как слабые поле лиганды, такие как H2O, вызывают малое расщепление.
Цвет комплексов переходных металлов
Цвет комплексов переходных металлов объясняется d-d электронными переходами, которые происходят, когда электроны перемещаются с низкоэнергетических d-орбиталей на более высокоэнергетические d-орбитали внутри расщепленных d-уровней. Энергетическая разница между этими орбиталями аналогична энергии видимого света, который поглощается, когда происходит переход.
Например, комплекс [Ti(H2O)6]3+ выглядит фиолетовым, потому что он поглощает желтый свет, который является противоположным фиолетовому на цветовом круге. Конкретный цвет, который наблюдается, зависит от металла, его степени окисления, присутствующих лигандов и расщепления кристаллического поля.
Примеры координационных комплексов
1. [Fe(CN)6]4- комплекс
Этот комплекс известен как гексацианоферрат(II) ион. Это координационный комплекс, состоящий из центрального иона железа (Fe2+), окруженного шестью цианидными лигандами. Цианидные ионы, будучи сильными полевыми лигандами, вызывают значительное расщепление кристаллического поля, что приводит к низкоспиновому состоянию d-орбиталей.
2. [Cu(NH3)4]2+ комплекс
В комплексе тетрамминмеди(II) медь окружена четырьмя аммиачными лигандами. Он демонстрирует искажённую квадратную плоскую геометрию из-за эффекта Яна-Теллера, который часто встречается в таких d9 комплексах.
3. [Co(en)3]3+ комплекс
Комплекс трис(этилендиамин)кобальт(III) содержит три этилендиаминовых лиганда, которые являются бидентатными по природе. Они окружают ион кобальта в октаэдрической геометрии. Этот комплекс является хиральным и может существовать в виде двух энантиомеров.
Биологическая значимость координационных соединений
Координационные соединения играют важные роли в биологических системах. Вот некоторые важные примеры:
- Гемоглобин: Белок, транспортирующий кислород в эритроцитах, является координационным соединением, содержащим центральное железо. Он связывает молекулы кислорода, которые затем транспортируются в ткани по всему организму.
- Витамин B12: Необходимый для человека питательный элемент, который содержит комплекс кобальт-центра. Он играет жизненно важную роль в функционировании мозга и производстве ДНК.
- Хлорофилл: Зеленый пигмент, найденный в растениях, который важен для фотосинтеза. Магний находится в его центре и помогает растениям захватывать энергию солнечного света.
Приложения координационных соединений
Помимо их биологической значимости, координационные соединения имеют широкий спектр приложений в промышленности и технологиях:
- Катализаторы: Многие каталитические процессы в химической промышленности опосредованы координационными комплексами. Например, соль Зейзе является комплексом платины, который играет важную роль в катализе гидрогенизационных реакций.
- Химиотерапия:
Цисплатинявляется координационным соединением платины, широко используемым в лечении рака из-за его способности препятствовать репликации ДНК в раковых клетках. - Аналитическая химия: Координационные соединения, такие как
ЕДТА, часто используются как комплексообразующие агенты в титриметрических процессах для определения концентрации ионов металлов в растворе.
Заключение
Координационная химия элементов d-блока — это замечательная область, которая проливает свет на сложность взаимодействий металл-лиганд и их разнообразные последствия как в природном мире, так и в человеческой технике. Понимание основ координационных комплексов, таких как тип лиганда, координационное число и электронная структура, предоставляет ценные идеи о их функционировании и применениях.
Комментарии