大学化学第02章-配位化学基础.ppt

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1、1,现代大学化学Modern College Chemistry 第2章 配位化学基础Chapter 2 Coordination Compounds,2,本章概要,2.1 配位化合物的基本概念2.1.1 配位键；2.1.2 配合物的定义、组成与结构；2.1.3 配合物的分类；2.1.4 配位数和影响配位数大小的因素；2.1.5 配合物的命名。2.2 配合物的异构现象2.2.1 几何(立体)异构及几何异构体的命名；2.2.2 镜像异构(旋光异构)；2.2.3 结构异构。2.3 配合物的化学键理论2.3.1 几个相关的背景知识；2.3.2 价键理论；2.3.3 晶体场理论；2.3.4 化学光谱序

2、。2.4 配合物的稳定性2.5 配合物的应用复习：p35p37；预习：p162p181；习题：见附加题,3,荀丽多彩的宝石,4,从左到右：黄色(yellow)Co(NH3)63+橙色(orange)Co(NH3)5NCS2+红色(red)Co(NH3)5H2O3+紫色(purple)Co(NH3)5Cl2+绿色(green)Co(NH3)4Cl2+,5,Alfred Werner(18661919)瑞士无机化学家，配位化学奠基人。1890年与A.R.汉奇一起提出氮的立体化学理论；1893年提出络合物的配位理论和配位数的概念；1893年提出化合价的副价概念；因创立配位化学而获得1913年Nobe

3、l化学奖。,6,2.1 配位化合物的基本概念2.1.1 配位键一种新的成键类型离子键：电负性相差较大（1.7）的金属元素与非金属元素分别变成具稳定的（八电子构型）正、负离子后，通过离子间的静电引力而形成分子。共价键：电负性相近的原子中的未成对电子，可通过共享的方式配对成键。,7,离域键：自由电子分布在多个原子周围形成的一种位置不定的键，既无方向性又无饱和性，键能适中。金属键属于离域键。配位键：若甲方具有已配对的孤对电子，乙方具有能量与之相近的空轨道，则成键的两个电子完全由甲方提供,如此所形成的化学键称为配位键。,8,2.1.2 配合物的定义、组成与结构2.1.2.1 配合物的定义由配体与中心原

4、子或离子，按一定的组成和空间构型相结合而成的化合物或离子称为配合物或配离子，早期称络合物（complex compounds)。中心离子或原子：配合物中心离子或原子是配合物的核心,它们必须具有空的低能轨道，通常是金属(尤其是周期表中的过渡金属)离子或原子。配体：含有孤对电子的分子或离子均可作为配体的配位原子。中心离子/原子与配体在周期表中的分布,9,中心原子、配原子在周期表中的分布,绿色区域的原子能形成稳定的简单配合物和螯合物；黄色区域的原子能形成稳定的螯合物；蓝色区域的原子仅能生成少数螯合物和大环配合物；灰色区域原子的性能不明；深红色区域的原子为常见配体。,10,2.1.2.2 配合物的结构

5、M（Metal）表示中心原子或离子，L（Ligand）表示配体，l 称为配体数(直接同核配位的配体数目)，X代表外界阴离子，K代表外界阳离子。,Co(NH3)63+(Cl-)3,内 界,外 界,外界离子配体(位)数配位体配位原子中心离子,11,2.1.3 配合物的分类2.1.3.1 按配体种类来分 卤合配合物（以F-、Cl-、Br-、I-为配体）含氧配合物（如以H2O为配体）含氮配合物（如以NH3为配体）含碳配合物（如以CN-、CO为配体）其它（含硫、含磷；金属有机化合物等）2.1.3.2 按配体分子中的配原子数目来分 按配体分子中的配原子数目来分有单齿配合物、多齿配合物与螯合物之分。,12,

6、2.1.3.2.1 单齿配体若配体分子或离子中仅有一个原子可提供孤对电子，则只能与中心原子形成一个配位键，所形成的配体称为单齿配体。常见的单齿配体有卤离子（F-、Cl-、Br-、I-)、其它离子(CN-、SCN-、NO3-、NO2-、RCOO-)、中性分子（R3N、R3P、R2S、H2O、吡啶C5H5N）等。常见的配位原子有 X,O,S,N,P,C。大体说来，卤离子为弱配体；以 O、S、N 为配原子的配体是中强配体；以 C 原子为配位原子配体是强配体。,13,常见的单齿配体有X-,NH3,H2O,NO2-,ONO-,CO,py,CH2=CH2,；常见的两可配体有：NO2-(硝基),ONO-(亚

7、硝酸根),SCN-(硫氰酸根),SCN-(异硫氰酸根),CN-,CN-；同时连接两个以上中心原子的配体称为桥联配体。常见的桥联配体有：OH-,X-,O=。2.1.3.2.2 多齿配体若配体分子或离子中含有多个可提供孤电子对的配位原子，如果空间允许，则多个配位原子可同时配位给中心原子，所形成的环状结构配体称为多齿配体，4 齿以上的配位化合物常称为螯合物(chelate)。,14,常见的多齿配体有：乙二胺(en),C2O4=,CO3=；二乙三 胺；氮三乙酸；乙二胺三乙酸；等。常见的螯合配体有:乙二胺四乙酸二钠(EDTA);等。常见的大环配体有：冠醚，卟啉，卟吩，等。常见配体的结构式：碳酸根 草酸根

8、(ox)乙二胺(en)吡啶(py)carbonate oxalate 1,2-ethylenediamine pyridine,15,联二吡啶(bipy)1,10-菲罗啉(phen)二乙烯三胺(dien)bipyridine phenanthroline diethylenetriamine,EDTA-Ni 卟啉铁()卟吩镁,16,血红蛋白的结构2.1.3.3 按核的数目分类单核配合物：只有一个核的配合物称为单核配合物。多核配合物：含有多个核的配合物称为多核配合物。,17,2.1.4 配位数和影响配位数大小的因素定义：直接同中心原子或离子配位的配位原子的数目称为该配合物的配位数。配位数的多少与

9、中心原子、配体和环境等许多因素有关。在其它因素不变的情况下，有：配体相同时，中心原子的半径越大，可能的配位数越多；中心离子相同时，配体的体积越大，配位数越低；中心离子的电荷数越高，可能的配位数越多。当中心离子的氧化数分别为+1,+2,+3时，可能的配位数通常为2,4或6,6；,18,其它条件相同时，配体的浓度越高，越易形成高配位数的配合物；其它条件相同时，溶液的温度越高，越难形成高配位数的配合物。2.1.5 配合物的命名命名顺序：从后向前或从右向左；内、外界之间加“酸”或“化”分开；外界卤素X-用“化”分开；配体与中心离子（原子）之间加“合”分开；中心离子氧化数可紧跟中心离子后用罗马字母表示，

10、并加上小括号；,19,配位体个数用中文一、二、三表示；“一”可略；如果配合物中有多种配位体，则它们的排列次序为(金属离子)(无机阴离子)(无机分子)(有机分子)。不同配位体的名称之间还要用中圆点“”分开。【例2.1】写出下列配合物的名称Fe(CN)64-六氰合铁()配离子/六氰合亚铁配离子K4Fe(CN)6 六氰合铁()酸钾/六氰合亚铁酸钾Co(en)32(SO4)3硫酸三(乙二胺)合钴()Cr(OH)3H2O(en)三羟水乙二胺合铬()Co(ONO)(NH3)5SO4 硫酸亚硝酸根五氨合钴(III)Cr(H2O)4Cl2Cl&#$%,20,2.2 配合物的异构现象在化学上，我们将化合物的分子

11、式相同而结构、性质不同的现象称为同分异构现象。对于配合物来说，常见的异构现象有几何异构、旋光异构、电离异构、水合异构等。2.2.1 几何(立体)异构及几何异构体的命名多种配体在中心原子（离子）周围所处的相对位置不同而导致的异构现象称为配合物的几何异构。具不同配位数、不同配体种类的配合物可有不同数量的异构体。,21,2.2.1.1 顺-反异构同种配体处于相邻位置者称为顺式异构体，同种配体处于对角位置者称为反式异构体。MA2B2类型的平面正方型配合物具有顺反异构体。如Pt(NH3)2Cl2。,22,MA2B4类型的四角双锥配合物也具有顺反异构体。如Co(NH3)4Cl2+配离子。,23,24,2.

12、2.2 镜像异构(旋光异构),25,由于该异构体具有旋光性，故又称为旋光异构。若使偏正面逆时针旋转时则称为左旋(异构)体,反之称为右旋(异构)体，分别在冠名前加L 和D表示。,2.2.2.2 旋光仪工作原理简介,26,【例2.2】MA2B2C2类型的化合物具有几种几何异构体？,27,2.2.3 结构异构电离异构（离子异构）配合物中具有相同的分子式但不同的配位阴离子（因而水溶液中产生不同的离子）的配位化合物。如Co(NH3)5BrSO4和Co(NH3)5SO4Br。2.2.3.2 水合异构分子式相同但水合数不同的配合物称为水合异构。如 Cr(H2O)6Cl3(紫色)，CrCl(H2O)5Cl2H

13、2O(亮绿色)，CrCl2(H2O)4Cl2H2O(暗绿色)。,28,2.2.3.3 键合异构两可配体采用不同的配位原子与中心离子键合而成的不同配位化合物称为键合异构。如Co(NH3)5NO2Cl2(黄色)Co(NH3)5(ONO)Cl2(红棕色)2.2.3.4 配位异构不同配体在不同中心离子间互换所形成的不同配位化合物称为配位异构。如Cr(NH3)6Co(SCN)6 Cr(SCN)6Co(NH3)6,29,【例2.3】今有化学式为Co(NH3)4BrCO3的配合物。画出全部异构体的立体异构；指出区分它们的实验方法。解：中心离子的电价数为+3，故应形成6配体配合物；3种配体形成配合物的强弱次序

14、是：Br-CO3=NH3；CO3=（O-CO-O）既可是单齿配体又可是双齿配体.首先通过AgBr沉淀法确定第种异构体;然后再通过测定偶极矩区分和(的偶极矩更小).,30,2.3 配合物的化学键理论解释配位键的理论有三种：价键理论、晶体场理论和分子轨道理论。价键理论由提出并发展起来的,该理论认为中心离子提供与配位数相同数目的空价轨道，杂化后接受配位原子上的孤电子对而形成配位键。晶体场理论把配体看成点电荷或偶极子，由这些点电荷或偶极子形成一个特定的电场作用在中心原子的d 轨道上，使轨道能量发生变化。分子轨道理论认为电子围绕整个配合物体系的分子轨道运动，是当前用得最广泛的理论。将该理论应用于配合物的

15、特殊场合时称为配位场理论。,31,2.3.1 几个相关的背景知识2.3.1.1 物质的磁性磁 性：物质在磁场中表现出来的性质。根据磁学理论，物质的磁性大小可用磁矩 表示，它与物质所含的未成对电子数 n 之间的关系可表为=n(n+2)1/20 或/0=n(n+2)1/2 0称为波尔磁子。顺磁性：被磁场吸引 n 0,0。如O2,NO,NO2反磁性：被磁场排斥 n=0,=0铁磁性：被磁场强烈吸引。如 Fe,Co,Ni 等。,32,2.3.1.2 电子自旋配对能 当两个自旋方向相反的电子配对进入同一轨道时需消耗一定的能量，称之为电子自旋配对能，记为P(依赖于中心原子的轨道，P=15000 cm-1 3

16、0000 cm-1)。这与洪特法则在本质上是一致的。,呈黑色 呈白色 呈橙色 呈橙色全吸收 全反射 反射橙色 吸收青色,2.3.1.3 可见光的互补色,33,吸收-补色对照表,34,2.3.1.4 物质的显色机理电磁波谱与可见光 收音机 电视机 微波炉 取暖器 可见 消毒 透视-探伤,35,太阳光是白色光，当用某种方法从中除掉某些波长的光后，就破坏了白光的构成比例，这时就显示出颜色；被除掉的光的组分(波长)不同，显示的颜色就不同，该组分去除得越彻底，显示的颜色就越深；当阳光照射到某一物质上时，可能发生以下几种情形：,36,2.3.2 价键理论中心原子（或离子）M必须具有空的价轨道；配体L中的配

17、原子必须具有孤电子对；当配体向中心原子接近时，根据配原子吸电子能力（即电负性）的不同，对中心原子的d 轨道产生不同的影响，诱导中心原子采用不同的杂化方式；配体原子中的孤电子对轨道与中心原子的相应杂化空轨道重叠，形成配合物。价键理论的缺陷是无法描述配体对中心原子d轨道影响的本质，不能预料在具体配体情况下中心原子d轨道的杂化类型；无法解释配合物形成过程中的颜色变化问题。,37,【例2.4】用价键理论讨论FeF63-和Fe(CN)63-的形成过程。,晶体场理论,38,2.3.3 晶体场理论2.3.3.1 晶体场理论的本质-静电作用力晶体场理论认为，当配体逼近中心原子时便在中心原子周围形成了一个静电场

18、(称为配位场或晶体场)，配体与中心原子（或离子）之间的相互作用力为静电作用力。因此晶体场理论在本质上就是静电相互作用理论。2.3.3.2 配位场效应与晶体场分裂能当配体逼近中心原子时便在中心原子周围形成了一个静电场，中心原子的d 轨道在该场的作用下能级发生分裂，即原来能级相等的5个轨道分裂为几组能量不等的轨道。这种现象称为配位场效应。最高、最低轨道能量之差称为晶体场分裂能。,39,不同构型的配合物中，配体所形成的配位场各不相同，因此d 轨道的分裂方式也各不相同。,40,不同晶体场下d 轨道的分裂能,41,2.3.3.3 晶体场稳定化能ECFSEECFSE=E分裂后各d 电子能量-E分裂前各d

19、电子能量2.3.4 化学光谱序晶体场分裂能 的大小取决于核与配体的种类。给定中心原子（或离子）晶体场分裂能的大小依赖于配位场的强弱（或配体的给电子能力），不同配体所产生的配位场强度次序为I-Br-Cl-SCN-F-OH-RCOO-ONO-C2O4=H2ONCS-EDTA(py)NH3enbipyphenNO2CN-CO 由于这种能力上的差异将导致配合物吸收光谱上的差异，因此通常又将上述顺序称为“化学光谱序”。,42,【例2.5】d7构型金属在正八面体场中，当o=12000cm-1及o=31500cm-1时，电子构型、磁矩和颜色分别应怎样？解：,如Co(CN)64-,如Co(H2O)62+Co(

20、NH3)62+Co(bipy)32+,价键理论,43,对正八面体场可以得到以下几点结论：对于 d1d3 型的中心原子或离子，无论晶体场的强弱如何，均有空的(n-1)d 轨道，均采用 d2sp3 型杂化方式，为内轨型。对于 d8d10 型的中心原子或离子，无论晶体场的强弱如何，均没有空的(n-1)d 轨道，均采用 sp3d2型杂化方式，为外轨型。对于d4d7 型的中心原子或离子，强场配体（CN-,CO,NO2-,等）时采用 d2sp3 杂化为内轨型；弱场（X-,H2O,等）时采用 sp3d2 型杂化方式为外轨型。,44,2.4 配合物的稳定性配合物的稳定性可以用配合物的稳定常数来表示。同样，配合

21、物的不稳定性可以用配合物的不稳定常数来表示。2.4.1 配合物的稳定常数配合物稳定常数即生成反应的平衡常数,记为 K稳。配合物的离解过程的平衡常数称为配合物的不稳定常数，记为K不稳。对配合反应 M+L ML 有：K稳=ML/ML；K不稳=ML/ML显然：K稳=1/K不稳,45,分级配位常数之间的相互关系,46,2.4.2 配合稳定常数的应用2.4.2.1 判断配合反应进行的方向【例2.6】已知298.2K时Ag(NH3)2+和Ag(CN)2-的稳定常数分别为1.67107和2.631018。判断反应 Ag(NH3)2+2CN-=Ag(CN)2-+2NH3 进行的方向。【解】反应的平衡常数K=A

22、g(CN)2-NH32/Ag(NH3)2+CN-2=Ag(CN)2-NH32Ag+/Ag(NH3)2+CN-2Ag+=K稳Ag(CN)2-/K稳Ag(NH3)2-=2.631018/1.67107=5.81013反应向右进行的趋势很大！,47,2.4.2.2 计算配合物存在的条件下难溶盐的溶解度【例2.7】已知298.2K时Ksp(AgCl)=1.810-10；K稳(Ag(NH3)2+)=1.67107。问在该温度下保持NH3=1 mol/L 的溶液中AgCl的溶解度是多少？欲在1L水中溶解0.1mol AgCl，需向该1L溶液中加入多少mol NH3?（计算中不考虑因NH3的加入引起水的体积

23、的变化）【解】AgCl=Ag+Cl-Ag+2NH3=Ag(NH3)2+x-y x x-y 1.0 y联立Ksp(AgCl)=x(x-y)及 K稳(Ag(NH3)2+)=y/(x-y)12 解得该温度下 NH31mol/L的溶液中AgCl的溶解度x=0.055 mol/L 由Ksp(AgCl)=0.1Ag+Ag+=1.810-9mol/L由K不稳(Ag(NH3)2+)=(1.810-9)NH30-210-9)210-9)或K不稳(Ag(NH3)2+)=(1.810-9)NH30-20.12/0.1解得NH30=0.2+0.1K不稳/1.810-91/2=2.02 mol,48,2.5 配合物的应用2.5.1 在分析化学中的应用2.5.2 在金属冶炼中的应用2.5.3 在电镀工业中的应用2.5.4 生命体中的配位化合物,49,End of Chapter 2,