Применение комплексных соединений в аналитической химии

Муниципальное образовательное  учреждение

"Средняя общеобразовательная  школа №16"

 

 

 

 

 

 

Научно-исследовательская работа

Применение комплексных соединений в аналитической химии

 

 

 

 

Выполнил:

Дзюбина Ксения,

ученица 10^А класса

 

 

Руководитель:

Евсеева Лидия Ивановна,

учитель химии

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

г. Вологда

2009 г. 
Содержание.

 

 

 

 

 

Введение

Обширную группу химических соединений составляют комплексы,  в молекулах которых всегда можно выделить центральный атом или ион, вокруг которого сгруппированы другие ионы или молекулярные группы.

Комплексы имеют исключительно  большое значение в живой и неживой природе. Гемоглобин, благодаря которому осуществляется перенос кислорода из легких к клеткам ткани, является комплексом железа, а хлорофилл, ответственный за фотосинтез в растениях, – комплексом магния. Значительную часть природных минералов, в том числе многие силикаты и полиметаллические руды, также составляют комплексы. Химические методы извлечения металлов из руд связаны с образованием легкорастворимых, легкоплавких и высоколетучих комплексов. Современная химическая промышленность широко использует комплексы как катализаторы.

С использованием комплексов связана  возможность получения многообразных  лаков и красок, прочных электрохимических  покрытий, фотоматериалов, надежных средств  переработки и консервирование  пищи.

Огромное значение имеют комплексные соединения в аналитической химии. Они используются как в качественном, так и в количественном анализах. Такое разнообразие применений заключается в особенностях строения, структуре химических связей.

При изучении литературы я перед  собой ставила следующие цели:

- иметь представление о следующих  понятиях и величинах: комплексообразователь,  лиганд, координационное число, дентатность  лиганда, внутренняя и внешняя  сферы комплексного соединения, хелатные и полиядерные комплексные соединения;

-  знать особенности химической  связи во внутренней сфере  комплексных соединений; условия  образования, разрушения и трансформации  комплексных соединений; особенности  строения и функции в организме  миоглобина, гемоглобина, метгемоглобина, цитохромов, ионофоров;

-  понимать сущность металлолигандного  гомеостаза и возможностей его  нарушения и восстановления; комплексонометрии  и ее применения в санитарно-клиническом  анализе.

Далее я подбирала для своей практической части методику исследования с целью проведения количественного анализа хлорида кальция, купленного в одной из аптек города Вологды. Я хотела выяснить соответствие указанной массы истинной.

 

1. Теоретическая  часть

1.1. ОСНОВНЫЕ  ПОНЯТИЯ И ТЕРМИНОЛОГИЯ

Многие процессы жизнедеятельности  протекают с участием комплексных соединений. В живых организмах присутствуют комплексные соединения биогенных металлов с белками, витаминами и другими веществами, играющими роль ферментов или выполняющими специфические функции в обмене веществ. Характерной особенностью комплексных соединений является наличие в них химической связи, возникшей по донорно-акцепторному механизму:

M(    )_n   +   n     L  çè [M(    L)_n]

комплексообразователь         лиганды           внутренняя сфера

 комплексного соединения

Поэтому сущность реакции комплексообразования заключается во взаимодействии двух противоположностей: акцептора электронной пары и донора электронной пары.

Комплексные соединения - устойчивые химические соединения сложного состава, в которых обязательно имеется хотя бы одна связь, возникшая по донорно-акцепторному механизму.

Комплексные соединения состоят из комплексообразователя и лигандов, образующих внутреннюю сферу, и внешней  сферы, состоящей из ионов, которые  компенсируют заряд внутренней сферы.

Комплексообразователь (центральный атом) - атом или ион, который является акцептором электронных пар, предоставляя свободные атомные орбитали, и занимает центральное положение в комплексном соединении.

Роль комплексообразователя в  основном выполняют атомы или  ионы d- и f-металлов, так как они имеют много свободных атомных орбиталей на валентном уровне и достаточно большой положительный заряд ядра, за счет которого способны притягивать электронные пары доноров. Число свободных атомных орбиталей, предоставляемых комплексообразователем, определяет его координационное число. Значение координационного числа комплексообразователя зависит от многих факторов, но обычно оно равно удвоенному заряду иона комплексообразователя. Наиболее характерными координационными числами являются 2, 4 и 6.

В комплексных соединениях комплексообразователь связан с лигандами.

Лиганды - молекулы или ионы, которые являются донорами электронных пар и непосредственно связаны с комплексообразователем.

Обычно лигандами являются ионы или молекулы, содержащие неподеленные (свободные) электронные пары или достаточно подвижные π-электронные пары.

Лиганды-анионы: F^- ,   Cl^-,   Br^-,   I^-,    OH^-,  NO₂^-,  CN^-,   CNS^-,   RCOO^-

фторид   хлорид   бромид   иодид  гидроксид    нитрит      цианид     роданид      карбоксилат

Лиганды-молекулы: H₂O, ROH, R—O—R,         CO,          NH₃

вода          спирты                   эфиры                   монооксид  углерода        аммиак

По числу связей, образуемых лигандом с комплексообразователем, лиганды  делятся на моно-, би- и полидентатные. Все вышеуказанные лиганды являются монодентатными, так как они выступают донорами только одной электронной пары.

К бидентатным лигандам относятся  молекулы или ионы, содержащие две  функциональные группы и способные  выступать донорами двух электронных пар:

H₂NCH₂CH₂NH₂,      ^-OOC—COO^-,       H₂NCH₂COO^-

    молекула этилендиамина                      дианион щавелевой кислоты           анион аминоуксусной кислоты

Примерами полидентатных лигандов являются:

^-OOCCH₂                                               CH₂COO^-

                     N—CH₂—CH₂—N

^-OOCCH₂                                               CH₂COO^-

тетраанион этилендиаминтетрауксусной  кислоты (EDTA)

6-дентатный лиганд

В соответствии со своей дентатностью лиганд может образовывать соответствующее число связей с комплексообразователем.

Лиганды координируются вокруг комплексообразователя, образуя внутреннюю сферу комплексного соединения.

Внутренняя сфера комплексного соединения есть совокупность центрального атома и лигандов.

Во внутренней сфере связь комплексообразователя с лигандами имеет донорно-акцепторное происхождение и является ковалентной. При записи формулы комплексного соединения его внутреннюю сферу выделяют квадратными скобками, например [NН₄]С1; К₃[Fе(СN)₆]. Заряд внутренней сферы комплексного соединения равен алгебраической сумме зарядов комплексообразователя и всех лигандов. Внутренняя сфера может быть:

а) заряжена положительно - катион:

[Сu²⁺(NН₃)₄⁰]^z  z = +2 + 4 -0 = +2

б) заряжена отрицательно - анион:

[Fe³⁺(CN^-)₆]^z  z = +3 + 6*(-1) = -3

в) электронейтральна:

[Fе⁰(СО)⁰]^z  z = 0 + 5*0 = 0

В соответствии с зарядом внутренней сферы комплексные соединения подразделяются на анионные, катионные и нейтральные  комплексы.

Заряд внутренней сферы компенсируется ионами внешней сферы комплексного соединения.

Внешняя сфера комплексного соединения — это положительно или отрицательно заряженные ионы, нейтрализующие заряд комплексного иона и связанные с ним ионной связью.

Суммарный заряд ионов внешней  сферы всегда равен по значению и  противоположен по знаку заряду внутренней сферы, чтобы молекула комплексного соединения была электронейтральна

[Сu(NH₃)₄]S0₄

внутренняя      внешняя 

сфера    сфера

 

1.2. ХИМИЧЕСКАЯ  СВЯЗЬ В КОМПЛЕКСНЫХ СОЕДИНЕНИЯХ  И ОСОБЕННОСТИ ИХ СТРОЕНИЯ

В образовании химической связи во внутренней сфере комплексного соединения важнейшую роль играет донорно-акцепторное взаимодействие лигандов (доноры) и комплексообразователя (акцептор). При этом между ними возникает ковалентная и не сильно полярная связь. Именно этим объясняются главные особенности свойств внутренней сферы комплекса: строго определенное пространственное расположение лигандов вокруг комплексообразователя и достаточно высокая устойчивость к диссоциации связи лиганда с комплексообразователем.

Вначале рассмотрим структуру внутренней сферы комплексного соединения. Комплексообразователь (атом или катион металла) предоставляет  свободные орбитали, которые формируются  из незанятых s-, p- и d-атомных орбиталей внешних электронных слоев. При этом комплексообразователь предоставляет не чистые  s-, р- и d- орбитали, а энергетически равноценные гибридные орбитали, оси которых определенным образом располагаются в пространстве (табл.1). Это и создает структуру внутренней сферы комплекса, которая определяется типом гибридизации исходных свободных атомных орбиталей комплексообразователя.

Координационное число	Тип гибридизации	Структура	Пример
2	sp	линейная	[Ag(NH3)4]+
4	Sp3	тетраэдрическая	[BF4]-
4	Sp2d	квадрато-плоскостная	[Cu(NH3)4]2+
6	Sp3d2	октаэдрическая	[Fe(CN)6]3+

Тип гибридизации атомных орбиталей  комплексообразователя и

Тип гибридизации атомных орбиталей  комплексообразователя и

структура внутренней сферы комплексного соединения

Для комплексных соединений, содержащих во внутренней сфере различные лиганды, характерна геометрическая изомерия, наблюдаемая в тех случаях, когда при одинаковом составе внутренней сферы лиганды в ней располагаются по-разному относительно друг друга. Если два одинаковых лиганда расположены рядом, то такое соединение называется цис-изомером, если эти лиганды расположены по разные стороны от комплексообразователя, то это транс-изомер. Например, комплекс [Pt(NН₃)₂Сl₂].

Геометрические изомеры комплексных  соединений различаются не только по физическим и химическим свойствам, но и по биологической активности. Так, цис-изомер комплекса [Pt(NН₃)₂Сl₂] проявляет ярко выраженную противоопухолевую активность, а транс-изомер - нет. Следовательно, не только состав, но и геометрия внутренней

Эффективность донорно-акцепторного взаимодействия лиганда и комплексообразователя, а следовательно, и прочность связи между ними определяются их поляризуемостью, т. е. способностью трансформировать свои электронные оболочки под внешним воздействием. По этому признаку реагенты подразделяются на "жесткие", или малополяризуемые, и "мягкие" - легкополяризуемые. Поляризуемость атома, молекулы или иона прежде всего зависит от размера молекулы и числа электронных слоев. Чем меньше радиус и число электронов у частицы, тем менее она поляризуема. Частицы с большим радиусом и большим числом электронов, наоборот, легко поляризуются. По этим признакам можно расположить в ряд комплексообразователи и лиганды, участвующие в процессах метаболизма:

Комплексообразователи:

Увеличение мягкости комплексообразователя:

à  à  à  à  à  à  à  à  à  à  à  à  à  à  à  à  à  à  à

Na⁺, K⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Mn²⁺, Fe²⁺, Со²⁺, Ni²⁺, Сu²⁺, Zn²⁺, Сd²⁺,Pb²⁺, Hg²⁺.

Увеличение мягкости лиганда:

  à  à  à  à  à  à  à  à à  à  à  à  à

F^-, ОН^-, Н₂О, Сl^-, Вr^-, I^-, RСОO^-, NR₃, RSН, СN^-

В соответствии с общим принципом "подобное в подобном" и спецификой донорно-акцепторного взаимодействия наиболее прочная и устойчивая к диссоциации ковалентная связь возникает между мягкими комплексообразователями и мягкими лигандами. С учетом того что белки, включая ферменты, содержат мягкие легкополяризуемые группы —СОO^-, —NН₂ и —SН, становится понятным, почему все "металлы жизни", относящиеся к (d-элементам, в организме встречаются практически только в виде комплексов с биосубстратами. С другой стороны, ясно, почему катионы тяжелых металлов Сd²⁺, Рb²⁺, Нg²⁺ сильно токсичны. Эти катионы очень "мягкие", особенно катион Нg²⁺, и поэтому они активно образуют прочные комплексы с жизненно важными белоксодержащими субстратами, нарушая их метаболизм. Особенно легко в реакцию комплексообразования вступают белки, содержащие группу —SН:

2RSН + 2Нg²⁺  è  [R—S—Не—S—R] + 2Н⁺

Склонностью к комплексообразованию объясняется также токсичность  цианидов, так как анион СN^- -- очень мягкий лиганд -- активно взаимодействует с катионами d-металлов в комплексах, замещая в них биосубстраты и тем самым инактивируя эти биокомплексы.