czyli reakcje wymiany ligandów i ich zastosowanie Mateusz Bożejko Edmund Pelc Liceum Ogólnokształcące nr III we Wrocławiu
Podstawowe pojęcia Podstawowe pojęcia Związek kompleksowy Sfera koordynacyjna Ligand Liczba koordynacyjna Związek, którego cząsteczki są zbudowane z atomu centralnego i ligandów lub zawierają przynajmniej jeden jon o takiej budowie. Otoczenie atomu centralnego w danym kompleksie. Jon, lub cząsteczka związana z atomem centralnym; jest donorem pary elektronowej. Liczba ligandów związanych z atomem centralnym w danym kompleksie.
Jon koordynacyjny (kompleksowy) Atom centralny Ligandy
Wymiana ligandów Ligandy związku kompleksowego można zamienić w reakcji wymiany pojedynczej lub podwójnej, będącej reakcją podstawienia (substytucji). Reakcja taka może być reakcją redoks. Za pomocą tej reakcji można na wiele sposobów zmieniać barwę związku kompleksowego, zamieniając wyłącznie ligandy.
Rodzaje reakcji wymiany ligandów Wymiana ligandów Substytucja nukleofilowa Substytucja elektrofilowa Oksydacyjnoredukcyjna Mieszane
Wymiana ligandów Rozpuszczalnik Rodzaje wymiany ligandów Ligand 1 Ligand 2
Pomiary Wykonano absorbcyjne widma elektronowe otrzymanych związków kompleksowych jonów metali d-elektronowych. Orbital d eg Rejestruje się widma związane z przejściami w rozszczepionym orbitalu typu d. Przejścia są zasadniczo charakterystyczne dla danego metalu (przy określonej liczbie koordynacyjnej). Zamiana rodzaju ligandów powoduje natomiast przesunięcie maksimum absorbcji w kierunku fal dłuższych lub krótszych. Schemat rozszczepienia orbitalu d t 2 g
Cel doświadczenia 1. Wykazanie, że reakcje wymiany ligandów mogą zachodzić, jeżeli powstający kompleks jest trwalszy od tego, który stanowił substrat.
Odczynniki H 2 O CuSO 4 5H 2 O NH 3(aq)
Schemat wykonania NH 3 H 2 O [Cu(H 2 O) 6 ] 2+
Obserwacje Po dodaniu amoniaku barwa roztworu zmieniła się na granatową.
Wnioski Po dodaniu nadmiaru amoniaku zaszła reakcja: [Cu(H 2 O) 6 ] 2+ + 4NH 3 H 2 O [Cu(NH 3 ) 4 ] 2+ + 10H 2 O Zaszła przebudowa sfery koordynacyjnej, w wyniku której wszystkie cząsteczki wody zostały wymienione przez cząsteczki amoniaku. Kompleks amoniakalny jest bardziej trwały od akwakompleksu.
Absorpcja Widmo absorpcyjne kompleksów [Cu(NH 3 ) 4 ] 2+ oraz [Cu(H 2 O) 6 ] 2+ 2.5 2 Widma absorpcyjne kompleksów miedzi (II) 16500cm -1 1.5 1 [Cu(H 2 O) 6 ] 2+ 12400cm -1 [Cu(NH 3 ) 4 ] 2+ 0.5 0 7300 9850 12400 14950 17500 20050 22600 Liczba falowa [cm -1 ]
Cel doświadczenia 2. Wykazanie, że reakcje wymiany ligandów mogą być reakcjami redoks.
Substraty [CoCl(NH 3 ) 5 ]Cl 2 [Cr(H 2 O) 6 ]Cl 2 H 2 SO 4
Otrzymywanie [CoCl(NH 3 ) 5 ]Cl 2 NH 3(aq) K 2 CO 3 NH 4 NO 3 [Co(H 2 O) 6 ]Cl 2 [Co(CO 3 )(NH 3 ) 4 ]Cl H 2 O 2 H 2 O
Otrzymywanie [CoCl(NH 3 ) 5 ]Cl 2 HCl CO 2 [Co(CO 3 )(NH 3 ) 4 ]Cl [CoCl(NH 3 ) 4 (H 2 O)]Cl 2 H 2 O
Otrzymywanie [CoCl(NH 3 ) 5 ]Cl 2 NH 3(aq) [CoCl(NH 3 ) 4 (H 2 O)]Cl 2 [CoCl(NH 3 ) 5 ]Cl 2
Absorbcja Widmo absorpcyjne [CoCl(NH 3 ) 5 ]Cl 2 1.25 Widmo absorbcyjne kompleksu kobaltu(iii) 1 18100cm -1 27580cm -1 0.75 0.5 [CoCl(NH 3 ) 5 ] 2+ 0.25 0 8000 11000 14000 17000 20000 23000 26000 29000 Liczba falowa [cm -1 ]
Otrzymywanie [Cr(H 2 O) 6 ]Cl 2 Zn (wiórki) H 2 [Cr(H 2 O) 6 ]Cl 3 Pod warstwą organiczną [Cr(H 2 O) 6 ]Cl 2 HCl ZnCl 2
Absorbcja Widmo absorpcyjne [Cr(H 2 O) 6 ]Cl 2 0.6 Widmo absorbcyjne kompleksu chromu(ii) 14390cm -1 0.45 0.3 0.15 23820cm -1 0 8000 11000 14000 17000 20000 23000 26000 29000 Liczba falowa [cm -1 ]
Schemat wykonania doświadczenia [Cr(H 2 O) 6 ]Cl 2 H 2 SO 4 Olej silikonowy (warstwa organiczna) [CoCl(NH 3 ) 5 ]Cl 2
Obserwacje Olej silikonowy (warstwa organiczna) [CoCl(NH 3 ) 5 ]Cl 2 Mieszanina produktów reakcji [Cr(H 2 O) 6 ]Cl 2
Absorbcja Widmo absorpcyjne mieszaniny poreakcyjnej 2.5 Widmo absorbcyjne chromu(iii) oraz mieszaniny produktów reakcji 33120cm -1 2 1.5 17370cm -1 24530cm-1 1 0.5 [Cr(H 2 O) 6 ] 3+ Mieszanina poreakcyjna 0 14000 18000 22000 26000 30000 34000 Liczba falowa [cm-1]
Wnioski Zaszła reakcja: [CoCl(NH 3 ) 5 ] 2+ + [Cr(H 2 O) 6 ] 2+ + 5H 3 O + [Co(H 2 O) 6 ] 2+ + [CrCl(H 2 O) 5 ] 2+ + 5NH 4 + Kobalt zredukował się z Co(III) do Co(II), a chrom utlenił z Cr(II) do Cr(III) Reakcja jest reakcją oksydacyjno-redukcyjną
Zastosowania Otrzymywanie kompleksów (np. kobaltu(iii) czy kompleksów chelatowych) na potrzeby przemysłu farmaceutycznego, do laboratoriów analitycznych i badań. Termowskaźniki układy zawierające kompleks wymieniający ligand w określonej temp. Zmiany barwy pod wpływem ciśnienia, czy rozpuszczalnika.
Literatura Cieślak-Golonka M., Starosta J., Wasielewski M., Wstęp do chemii koordynacyjnej, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2013 Bielański A., Podstawy chemii nieorganicznej, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2009 Fotografie: Mateusz Bożejko, Edmund Pelc