Р-Элементы VIII группы
Данные элементы: гелий (Не), неон (Nе), аргон (Аr), криптон (Кr), ксенон
(Хе) и радон (Rn) называют инертными газами, так как они обладают очень низкой химической активностью. На внешнем энергетическом уровне гелия находится два электрона, а у остальных элементов по восемь электронов, что соответствует энергетически выгодной электронной конфигурации.
Неоном и аргоном заполняют лампы накаливания. Сварка в среде аргона нержавеющих сталей, титана, алюминия и алюминиевых сплавов обеспечивает исключительно чистый и прочный сварной шов.
Криптон, ксенон и радон способны вступать в соединение с другими элементами и прежде всего с фтором. Данные соединения (ХеF2, ХеF6, ХеО3 и др.) обладают сильными окислительными свойствами. Радон является радиоактивным элементом с периодом полураспада 3,8 суток. Однако в природе он постоянно образуется. По мольной массе он в 7,65 раза тяжелее воздуха, поэтому скапливается в подвальных, непроветриваемых помещениях. За сутки концентрация радона в непроветриваемом помещении возрастает в 6 раз, а при пользовании душем в ванной комнате в 40 раз. Большую часть облучения человек получает от радиоактивного распада радона.
18 Комплексные соединения
Комплексные соединения – это соединения, содержащие сложный (комплексный) ион, способный к самостоятельному существованию в растворе. Большое количество возможных комплексообразователей и лигандов, а также такое явление, как изомерия, приводят к многообразию данных соединений.
18.1 Состав комплексных соединений
Для ответа на данный вопрос проведем сравнительный анализ диссоциации обычной соли, двойной соли и комплексного соединения:
1) диссоциация средних солей – сульфатов калия и алюминия
K2SO4 → 2K+ + SO42–,
Al2(SO4)3) → 2Al3+ + 3SO42–;
2) дисоциация двойной соли – алюмокалиевых квасцов
KAl(SO4)2 → K+ + Al3+ + 2SO42–;
3) диссоциация комплексного соединения – гексацианоферрата (III) калия
K3[Fe(СN)6] → 3K+ + [Fe(СN)6] 3–.
Из приведенных уравнений электролитической диссоциации видно, что продукты диссоциация двойной соли полностью совпадают с продуктами диссоциации сульфатов калия и алюминия. В случае комплексной соли в продуктах диссоциации присутствует сложная частица (комплексный ион), заключенная в квадратные скобки, и нейтрализующие её заряд простые ионы.
Комплексный ион в свою очередь диссоциирует по типу слабого электролита, то есть обратимо и ступенчато:
[Fe(CN)6]3– ↔ Fe3+ + 6CN–.
Для комплексных ионов допускается запись в одном уравнении продуктов диссоциации по всем ступеням.
Продукты диссоциации комплексного иона:
1) Fe3+ – комплексообразователь,
2) 6СN– – лиганды.
Таким образом, в состав комплексного соединения входят:
1) комплексообразователь – центральный атом,
2) лиганды – частицы координированные вокруг комплексообразователя,
3) частицы нейтрализующие заряд комплексного иона. Если заряд комплексного иона равен нулю, то он соответственно состоит только из комплексообразователя и лигандов.
Типичные комплексообразователи – катионы металлов побочных подгрупп: Ag+, Cu2+, Fe3+ и другие.
Типичные лиганды: NH3, H2O, CN–, NO2–, галогенид-ионы и другие.
Комплексообразователь посредством ковалентных связей и (или) электростатического взаимодействия образует прочную связь с лигандами.
Координационное число – это количество монодентантных лигандов, координированных вокруг комплексообразователя. Кординационное число, как правило, равно удвоенному заряду комплексообразователя.
Число связей, образуемых каждым лигандом с центральным атомом, называют дентантностью лиганда. Например:
1) монодентантные лиганды: F–, Br–, I–, CN–, OH–, NH3, H2O и др.;
2) бидентантные лиганды: H2N–CH2–CH2–NH2 – этилендиамин, оксалат-ион, карбонат-ион и др.;
3) полидентантные лиганды – примером может служить этилендиаминтетраацетат-ион (ЭДТА). Комплексы с полидентантными лигандами называются хелатными. Они широко распространены в природе и играют важную роль в биологических процессах, например, гемоглобин крови (комплексообразователь Fe2+), хлорофилл (комплексообразователь Mg2+).
Название комплексного соединения состоит из названий аниона и катиона. Название соединения читается справа налево, при этом анион называют в именительном падеже, а катион – в родительном.
Число лигандов указывают греческими числительными: 1 – моно, 2 – ди, 3 – три, 4 – тетра, 5 – пента, 6 – гекса, 7 – гепта, 8 – окта. Названия наиболее распространённых лигандов: F– – фторо, Cl– – хлоро, Br– – бромо, I– – йодо, OH– – гидроксо, SO32– – сульфито, NO2– – нитро, CN– – циано,
CNS– – родано, NH3 – аммин, en – этилендиамин, H2O – аква.
Название комплексообразователя зависит от заряда иона, в который он входит. В случае комплексного катиона или комплексной частицы без внешней сферы применяется русское название комплексообразователя, а в случае комплексного аниона – после названия лигандов добавляется корень латинского названия элемента-комплексообразователя и окончание «ат».
Если в состав внутренней сферы комплекса входят в качестве лигандов молекулы и анионы, то в первую очередь называют анионы (с окончанием на «о»), а затем молекулы. Если для комплексообразователя возможно несколько степеней окисления, то ее указывают в круглых скобках римской цифрой.
Примеры названий комплексных соединений:
1) анионного типа:
Na[Al(OH)4] – тетрагидроксоалюминат натрия,
K4[Fe(CN)6] – гексацианоферрат(II) калия;
2) катионного типа:
[CuNH3)4]SO4 — сульфат тетраамминмеди(II),
[Pt(NH3)4Cl2]Cl2 – хлорид дихлоротетраамминплатины(IV);
3) электронейтральных комплексов:
[Cr(H2O)3F3] – трифторотриаквахром,
[Fe(СО)5] – пентакорбонил железа.
Диссоциация комплексных соединений протекает по типу сильного электролита на комплексный ион и ионы внешней сферы. В свою очередь комплексный ион или электронейтральный комплекс диссоциируют по типу слабого электролита на коплексообразаватель и лиганды.
Количественно состояние равновесия характеризуется соответствующим значением Кр. Применительно к диссоциации комплексного иона константу равновесия (Кр) называют константа нестойкости (Кн). Чем меньше Кн, тем более устойчив комплекс. Например:
1) Диссоциации анионного комплекса
K3[Fe(CN)6] → 3K+ + [Fe(CN)6]3–,
[Fe(CN)6] 3- ↔ Fe3+ + 6CN–,
2) Диссоциации катионного комплекса
[Cu(NH3)4]SO4 → [Cu(NH3)4] 2+ + SO42–,
[Cu(NH3)4] 2+ ↔ Cu2+ + 4NH3,
.
Более устойчив цианидный комплекс трехвалентного железа.
18.2 Реакции с участием комплексных соединений
Примеры реакций образования комплексных соединений с комплексным катионом (1), комплексным анионом (2) и нейтральным комплексом (3):
1) Ni(NO3)2 + 6NH3 → [Ni(NH3)6](NO3)2,
Ni2+ + 6NH3 → [Ni(NH3)6]2+;
2) Cr(OH)3 + 3KOHконц. ↔ K3[Cr(OH)6],
Cr(OH)3 + 3OH– ↔ [Cr(OH)6]3–;
3) Fе + 5СО = [Fe(СО)5].
Вывод: комплексные соединения образуются, если в растворе присутствуют ионы комплексообразователя и лиганды.
В качестве примера перехода от одного комплексного соединения к
другому разберем реакцию превращения аммиачного комплекса меди в цианидный комплекс:
[Cu(NH3)4]SO4 + 4КСN ↔ К2[Cu(СN)4] + К2SO4 + 4NH3,
[Cu(NH3)4]2+ + SO42– + 4К+ + 4СN– ↔ [Cu(СN)4]2– + 4К+ + 4NH3 + SO42–,
Cu(NH3)4]2+ + 4СN– ↔ [Cu(СN)4]2– + 4NH3.
Равновесие данной реакции смещено вправо, так как
Кн([Cu(NH3)4]2+) = 5,0·10–4, а Кн([Cu(СN)4]2–) = 5,0·10–28,
то есть образуется более прочный комплексный ион.
Разрушение комплексного соединения разберем на примере аммиачного комплекса серебра:
[Ag(NH3)2]NO3 + KI ↔ AgI¯ + 2NH3 + KNO3,
[Ag(NH3)2]+ + NO3– + K+ + I– ↔ AgI¯ + 2NH3 + NO3– + K+,
[Ag(NH3)2]+ + I– ↔ AgI¯ + 2NH3.
Равновесие данной реакции смещено вправо, так как
Кн([Ag(NH3)2]+) = 6,8·10–8, а ПР(AgI) = 1,5·10–16,
то есть образуется плохо растворимое в воде соединение – йодид серебра.
Приведенные реакции характеризуют участие комплексных соединений в ионно-обменных реакциях.
В качестве примера окислительно-восстановительной реакции разберем реакцию превращения цианидного комплекса двухвалентного железа в цианидный комплекс трехвалентнного железа:
K4[Fe(СN)6] + О2 + Н2О → K3[Fe(СN)6] + KОН,
Fe+2 – 1е = Fe+3 | × 4,
О2 + 4е = 2О–2 | × 1.
4K4[Fe(СN)6] + О2 + 2Н2О → 4K3[Fe(СN)6] + 4KОН.