第九章 配位化合物
序言
一、配位化合物的组成及命名
1 配位化合物的组成
2 配位化合物的命名
二、配位化合物的异构现象
三、配位化合物的理论
1 价键理论
2 晶体场理论
四、配位平衡
1 配位平衡和稳定常数
2 配位平衡的移动
五、软硬酸碱理论
六、配位化合物的应用
Lewis 酸碱理论
酸碱质子理论, 酸 碱 + H+
NH4+ NH3 + H+
Lewis 酸碱理论( 酸碱电子理论 ),
能 接受电子对 的物质为 酸, 能 给出电子对 的物质为 碱
H+ + NH3 [NH3 H]+
Ag+ + 2NH3 [H3N Ag NH3]+
酸 + 碱 酸碱加合物
金属离子都是酸,阴离子和多电子无机分子都是碱,大
多数无机化合物都属于酸碱加合物。
酸 提供 空轨道,碱 提供 电子。
实质是正负电荷间的吸引。
??????
??????
??????
??????
??????
化学建及其物质的种类
金属键:金属
离子键:盐等离子化合物
共价键:分子化合物,原子(网状)晶体
配位键, 配位化合物 (Coordination Compound)
(或者,络合物 Complex Compound)
[H3N Ag NH3]+
一些配合物
CuSO4 + 4NH3 [Cu(NH3)4]SO4
AgCl + 2NH3 [Ag (NH3)2]Cl
PtCl4 + 2KCl K2[PtCl6]
Ni + 4CO [Ni(CO)4]
??????
??????
??????
??????
一、配位化合物的组成及命名
?配合物的组成
概念,中心原子、配体、螯合、
配位数、八面体、四面体、四方形
H
3
N C u
N H
3
N H
3
N H
3
2 +
S O
4
2 -
中 心 离 子 配 位 体 ( N 是 配 位 原 子 )
内 界 外 界
配合物的组成
中心离子或原子:
过渡金属离子或
原子,高价非金
属元素( P,Si,
B等)
配体,分子配体,
离子配体,单基
配体,多基 配体

EDTA
乙二胺四乙酸根
Ethylenediamine
tetraacetic acid
Chelate
螯合物
Ligand = Lewis base
Metal atom or ion =
Lewis acid
Chelate








强弱配体的交换

绿



CN- 替换 H2O
配位数
影响配位数的因素
配位数:
一般为 2,4,6,8,其中以 4,6 为多
取决于 中心离子(原子)和配位体的性质
(半径、电荷、中心离子(原子)的核外电
子排布等)以及外部条件(浓度,温度等):
中心离子电荷高,配位数多;
配体体积小、负电荷少,配位数多;
配体浓度大,配位数多;
温度升高,配位数减少。
配合物的命名
?含有配位阴离子的配合物,
K3[Fe(CN)6] 六氰 合 铁 (Ⅲ )酸 钾(赤血盐)
K4[Fe(CN)6] 六氰 合 铁 (Ⅱ )酸 钾(黄血盐)
K[Co(NO2)4(NH3)2] 四硝基 ?二氨 合 钴 (Ⅲ )酸 钾
(列出顺序:阴离子、中性分子)
?含有配位阳离子的配合物,
[Co(ONO)(NH3)5]SO4 硫酸 亚硝酸根 ?五氨 合 钴 (Ⅲ )
[CoCl(SCN)(en)2]NO2 亚硝酸 氯 ?硫氰酸根 ?二 (乙二胺 )合 钴
(Ⅲ ) (离子配体:简单在前,复杂在后)
[Co(NH3)5H2O]Cl3 三氯化 ?五氨 ?水 合 钴 (Ⅲ )
(分子配体中,按配位原子元素符号的英文字母顺序排列)
?非电解质配合物,
[PtCl4 (NH3)2] 四氯 ?二氨 合 铂 (Ⅳ )
(参见:中国化学会, 无机化学命名原则,,科学出版社( 1980))
二、配位化合物的异构现象
Isomers are compounds that contain the
same number of the same atoms,but in
different arrangements.
异构体,化学式相同但结构和性质不同的化合物。
结构异构:
电离异构、水合异构、配位异构、键合异构
空间异构,相同配体在 中心离子 周围的不同分布
光学异构,几何异构 (geometric isomerism)
几何异构主要为 顺、反异构。


Ionization
isomers
[CoBr(NH3)5]SO4
[CoSO4(NH3)5]Br
电离异构
电离异构
Hydrate isomers
[Cr(H2O)6]Cl3
[CrCl(H2O)5]Cl2.H2O
[CrCl2(H2O)4]Cl.2H2O
水合异构
配位异构( Coordination isomers)
键合异构( Linkage isomers)
光学异构 (Optical isomers)




亮绿色
紫 色
几何顺、反异构( Geometrical isomers)




三、配合物的化学键理论
价键理论
基本要点,中心形成体提供空轨道,配体提供孤电子对。实际构
型与杂化轨道相同。
解释与应用:
( 1)配离子的几何构型( 杂化轨道 )
( 2)电子自旋状态、磁性
( 3)稳定性
物质的磁性:
B)2n(n ?? ??
磁矩
波尔磁子
顺磁、逆磁性
3d 4s 4p 4d
Fe3+ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _
[FeF6]3? _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _
sp3d2
[Fe(CN)6]3? _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _
_ d2sp3
[例 ]
外轨杂化,高自旋
内轨杂化,低自旋
键能小,不稳定,在水中易离解,具有顺磁性
键能大,稳定,在水中不易离解,顺磁性减弱甚至呈
反磁性
d电子数 单电子数 Mn+ 内轨杂化 (例 ) 外轨杂化 (例 )
d3 3 Cr3+
d2sp3
[Cr(H2O)6]3+
[Cr(en)2Cl2]+
d4 2
Cr2+
Mn3+
d2sp3
[Cr(CN)6]4?
[Mn(CN)6]3?
d电
子数
单电子
数 M
n+ 内轨杂化
(例 )
外轨杂化
(例 )
d5
5 Fe
3+
Mn2+
sp3d2
[FeF6]3?
[Fe(H2O)6]3+
[Mn(H2O)6]2+
1
Fe3+
Mn2+
d2sp3
[Fe(CN)6]3?
[Mn(CN)6]4?
d电
子数
单电
子数 M
n+ 内轨杂化
(例 )
外轨杂化
(例 )
d6
4 Fe
2+
Co3+
sp3d2
[Fe(H2O)6]2+
[CoF]3-
0
Fe2+
Co3+
d2sp3
[Fe(CN)6]3?
[Co(NH3)6]3+
d电
子数
单电
子数 M
n+ 内轨杂化
(例 )
外轨杂化
(例 )
d7
1
Co2+
d2sp3
[Co(CN)6]4?
3 sp
3d2
[Co(H2O)6]2+
d8
0
Ni2+
dsp2
[Ni(CN)4]2?
2 sp
3
[Ni(NH3)4]2+
d电
子数
单电
子数 M
n+ 内轨杂化
(例 )
外轨杂化
(例 )
d9 1 Cu2+
dsp2
[Cu(NH3)4]2+
d10 0
Ag+
Cu+
sp
[M(NH3)2]+
Zn2+
Cd2+
Hg2+
sp3
[Zn(NH3)4]2+
[Cd(NH3)4]2+
[HgI4]2?
21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn
3d1 3d2 3d3 3d5 3d5 3d6 3d7 3d8 3d10 3d10
4s2 4s2 4s2 4s1 4s2 4s2 4s2 4s2 4s1 4s2
一般
X-,H2O配体,外轨杂化
NO2-,CN-配体,内轨杂化
内轨杂化所形成的配离子比外轨型配离子稳定。
价键理论的 局限性,
无法解释配离子的颜色;
[Cu(NH3)4]2+为 dsp2杂化,无法解释其未成对电
子的稳定性。
晶体场理论
基本要点:
( 1)配合物中化学键的本质是纯粹的静电作用;
( 2)过渡金属的中心离子有 5个 d轨道,当它们受
到周围非球形对称的配位负电场的作用时,d
轨道要发生分裂,此现象称为配位场效应;
( 3)同一构型的配合物,中心离子电荷越多,周
期越大,分裂能越大,对同一中心离子的分
裂能随配位体场强弱不同而异;
( 4)当电子成对能,P”大于分裂能,?”时,电
子尽量不成对,形成高自旋;如 P小于 ?时,
电子尽量成对,形成低自旋;
( 5) ?大,配离子稳定,所以强场配体配合物稳
定性大。
[Ti(H2O)6]3+,[Ar]d1
D轨道与八面体结构
dz2 和 dx2-y2 轨道的电子与配体的电子互相排斥作用较大
八面体晶体场下 d轨道的分裂
为什么四面体场没有低自旋之说?
e
g
t
2 g
t
2
e
o
t
球 形 场
八 面 体 场四 面 体 场


较 配 对 能 p 小,
所 以 没 有 低 自 旋 的 区 别 。
t
O5
3?
O5
2?
四面体晶体场下 d轨道的分裂
为什么四面体场没有低自旋之说?
e g
t 2 g
t 2
e
o
t
球 形 场
八 面 体 场四 面 体 场


较 配 对 能 p 小,
所 以 没 有 低 自 旋 的 区 别 。
t
t5
3?
t5
2?
四面体场与高自旋
为什么四面体场没有低自旋之说?
e
g
t
2 g
t
2
e
o
t
球 形 场
八 面 体 场四 面 体 场


较 配 对 能 p 小,
所 以 没 有 低 自 旋 的 区 别 。
t
八面体场分裂,1电子
(八面体场)
2电子体系与 3电子体系
Low spin
High spin
4




5 电子体系的低自旋与高自旋










强场
弱场
电子配对能 p
< 场分裂能 ?o
电子配对能 p
>场分裂能 ?o
在强、弱
配位场中
,八面体
配合物中
心离子 dn
电子排布
情况















弱场 配位体( 高自旋 ) I-<Br-<Cl-<F-<OH-<C2O42-
中等 强场配位体 H2O<SCN-<EDTA,NH3
强场 配位体( 低自旋 ) en<NO2-<CN-,CO
一般 ?小,吸收可见光即可跃迁,所以一般配离子
都呈现颜色。此现象为 d-d跃迁 显色。

绿
紫红


橙 青蓝


8电子与 d10
电子构型的
配合物无色
?o = h?
?o = hc / ?
? = hc / ?o
配体对配合物 颜色 的影响
Spectrochemical series
互补色( Complementary
color)







吸收光的能量增强
[Fe(SCN)(H2O)5]2+,[Co(SCN)4(H2O)2]2-,[Cu(NH3)4(H2O)2]2+,[CuBr4]2-
配合物的颜色
颜色取决于金属离子和配体
? = hc / ?o
?o的大小,既和 金属离子 有关,又与 配体
有关。
?o为八面体场下的分裂能,同样金属离子
在形成四面体场时的分裂能( ?t)不同,吸
收的光波长不同,其颜色也不同。
叶绿素 吸收光的颜色 (蓝,红 ) 与表现出的颜色( 绿 )
红宝石晶体( 含 Cr3+的 Al2O3晶体 )
Cr3+取代部分 Al3+,形成发光中心。
配合物的电子构型与 磁性




四,配位平衡及其移动
? 配位平衡与稳定常数
? 配位平衡的移动
配位平衡与酸碱平衡
配位平衡与沉淀平衡
配位平衡与氧化还原平衡
配合物之间的转化与平衡
[Cu(NH3)4]2+ Cu2+ 3d9
Cu2+ + 4NH3 [Cu(NH3)4]2+ 动态配位平衡
K稳 = [Cu(NH3)4]2+/ [Cu2+]·[NH3]4
Cu2+ + NH3 [Cu(NH3)]2+
K1=[Cu(NH3)]2+/ [Cu2+]·[NH3] = 1.40?104
[Cu(NH3)]2++ NH3 [Cu(NH3)2]2+ K2= 3.17?103
[Cu(NH3)2]2++ NH3 [Cu(NH3)3]2+ K3= 7.76?102
[Cu(NH3)3]2++ NH3 [Cu(NH3)4]2+ K4= 1.39?102
K稳 = K1? K2? K3? K4 = 4.82?1012
配位平衡与 稳定常数
配位数 相同的 配离子,K稳 愈大,配离子的稳定性愈大。
配位数 不同的 配离子,不能直接比较 二者的稳定性。
[Cu(NH3)4]2+ Cu2+ 3d9
[Cu(NH3)4]2+ [Cu(NH3)3]2++NH3 K1′= 7.2?10?3
[Cu(NH3)3]2+ [Cu(NH3)2]2++NH3 K2′= 1.3?10?3
[Cu(NH3)2]2+ [Cu(NH3)]2++NH3 K3′= 3.2?10?4
[Cu(NH3)]2+ Cu2++NH3 K4′= 7.1?10?5
[Cu(NH3)4]2+ Cu2++4NH3
K不稳 = [Cu2+][NH3]4 / [Cu(NH3)4]2+= K1′? K2′? K3′? K4′
= 2.07 ?10?13
K稳 = 1/ K不稳 K1= 1/ K4′ K2= 1/ K3′ K3= 1/ K2′ K4= 1/ K1′
配位平衡与 不稳定常数
关于稳定常数
? 注意 K稳 与 K不稳 的关系和引用
? 各级稳定常数差别不大,不能用处
理多元酸(碱)的办法来计算溶液中
各组分的浓度,但在 配位剂过量 时,
金属离子往往形成高配位数的配离子,
低配位的配离子浓度可忽略不计。
[例 ],10 ml 的 0.2mol/dm3 AgNO3与 10ml 的 1.0mol/dm3
NH3H2O 混和,[Ag+]=? (K稳 =1.1?107)
解,Ag+ + 2NH3 [Ag(NH3)2]+
反应前 0.10 0.50 0
反应后 0 0.50?2?0.10 0.10
平衡 x 0.30 0.10 ( 近似处理 )
[Ag(NH3)2]+ / [Ag+] [NH3]2 = K稳
0.10/ [Ag+] (0.30)2 = 1.1?107
[Ag+] = x = 1.0?10?7mol/dm3
当 (NH3)>>(Ag+) 时,可忽略 [Ag(NH3)]+
例:络合离子的形成
[例 ],将 0.10 mol的 [Cu(NH3)4]SO4(s)加入到 1.0 ml的 1.0
mol/dm3的 NH3H2O中,计算 [Cu2+] =? (K稳 = 4.82?1012)
解,[Cu(NH3)4]2+ Cu2+ + 4NH3
0.1?x x 1.0+4x ╳
0.1 x 1.0 (近似处理 )
[Cu2+][NH3]4 / [Cu(NH3)4]2+ = K不 稳 =(1/K稳 )= 1/4.82?1012
x · (1.0)4 / 0.1 = 2.07?10?13
[Cu2+] = x = 2.1?10?14mol/dm3
例:络合离子的解离
Mn+ + xL? = [MLx](n?x)+
加入 形成
酸,H3O+? HL (弱酸 )
沉淀剂,Xn?? MX(s)( 沉淀 ↓)
强络合剂,L?? ML? ( 更稳定的配合物 )
氧化 (还原 )剂,使 Mn+ 或 L?被氧化 (还原 )
结果,平衡向左移动 ←
配位平衡的移动
Ag+ + 2NH3 [Ag(NH3)2]+
+
2H+
2NH4+
( 1) [Ag(NH3)2]+ Ag+ + 2NH3 K不稳
( 2) 2H+ + 2NH3 2NH4+ (Kb/Kw)2
(1)+(2),[Ag(NH3)2]+ + 2H+ Ag+ + 2NH4+ K
K = K不稳 ·(Kb/Kw)2
= 6.32 ?10-8?(1.8?10-5/ 1.0?10-14)2 = 2.9 ? 1011
配合物的 酸 效应
K不稳 越大、配体的 Kb越大,配离子越易被酸解离。
22
3
2
23
22
3
2
2
23
2
][][H])[ A g ( N H
][][ N H[ A g ]
][H])[ A g ( N H
][ N H[ A g ]
K
4
4
???
???
??
??
?
?
OH][ N H
OH][ N H
[Ag(NH3)2]+ + Br? = AgBr(s) + 2NH3
K转 = [NH3]2 / ([Ag(NH3)2]+ [Br ?])
=[NH3]2[Ag+]/([Ag(NH3)2]+ [Br ?][Ag+])= (K不稳 / Ksp,AgBr)
AgBr(s) + 2NH3= [Ag(NH3)2]+ + Br?
K转 = K稳 ·Ksp,AgBr
AgBr(s) + 2S2O32 ? = [Ag(S2O3)2]3? + Br?
K转 = K稳 ?Ksp
配合物 -沉淀 之间的转化
Ksp 1.8?10-10 5.4?10?13 8.5?10?17 1.1?10?49
AgCl AgBr AgI Ag2S
5.1?102 1.7?105 4.0?102 5.4?106
Cl? Br? I? S2?
NH3 S2O32- CN?
2.0?10?3 16 1.1?105
[Ag(NH3)2]+ [Ag(S2O3)2]3? [Ag(CN)2]?
K不稳 9.1?10?8 3.5?10?14 7.7?10?22
K稳 1.1?107 2.9?1013 1.3?1021
配合物 -沉淀 之间的转化
K转
K转
1,0.10mmol的 AgNO3(s) + 1.0ml 的 1.0mol/dm3 NH3·H2O
① 加入 1.0?10?3mmol NaCl(s),有无 AgCl(s)?
② 需要加入多少 KI才会有 AgI(s)?
解,① Ag+ + 2NH3 = [Ag(NH3)2]+ K稳 =1.1?107
x 1.0 –2?0.10 0.10 0.10/(x ·(0.8)2)= 1.1?107
[Ag+] = x = 9.8?10?9 mol/dm3
(Ag+)(Cl?)=9.8?10?12 < Ksp,AgCl (1.8?10-10) ?无 AgCl(s)
(有过量 NH3,忽略 [Ag(NH3)]+)
② K转 = (K不稳 / Ksp,AgI) = 9.1?10?8 / 8.5?10?17 = 1.1?109
= [NH3]2 / ([Ag(NH3)2]+ [I ?])= (0.8)2/(0.10 ·[I ?])
? [I ?]= 5.0?10?9 (mol/dm3)
例:配合物 -沉淀 之间的转化
2,25℃ 1dm3 6.0mol/dm3 NH3H2O可溶解多少 AgCl(s)?
解, AgCl(s) + 2NH3 = [Ag(NH3)2]++ Cl?
6.0?2x x x
K = Ksp?K稳 = x2/(6-2x)2 = 2.8?10?3,x = 0.29 mol/dm3
即可溶解 0.29mol AgCl(s)
3,用 1dm3 NH3H2O溶解 0.10 mol AgCl(s),NH3H2O的最低浓
度应是多少?
解, AgCl(s) + 2NH3 = [Ag(NH3)2]++ Cl?
x?2?0.10 0.10 0.10
x = 2.1 mol/dm3 (设 x = [NH3],则 x = 1.9 mol/dm3 )
注意,在以上计算中, ① 加入足够量配位试剂, ② 设全部
生成高配位数配合物, 即忽略低配位数配合物的存在 。

Cu2+ +H2 = Cu + 2H+
(–) Pt,H2(1bar) | H+(1M) || Cu2+(1M) | Cu (+)
NH3H2O
(–)Cu | [Cu(NH3)4]2+(1M),NH3H2O(1M) || H+(1M) | H2(1bar),Pt(+)
Cu2++2e?Cu 加入 NH3H2O后
ECu2+/Cu = EoCu2+/Cu + (0.0591/2)lg[Cu2+]
= EoCu2+/Cu + (0.0591/2)lg[Cu(NH3)4]2+ /([NH3]4 ·K稳 )
配位平衡与 氧化还原平衡
K稳 = [Cu(NH3)4]2+
/( [Cu2+]·[NH3]4)
ECu2+/Cu = EoCu2+/Cu + (0.0591/2)lg[Cu2+]
= EoCu2+/Cu + (0.0591/2)lg[Cu(NH3)4]2+ /([NH3]4 ·K稳 )
若 [Cu(NH3)42+] = [NH3] = 1 mol dm3,则
ECu2+/Cu = 0.34 + (0.0591/2)lg(1/K稳 )
= –0.030V < 0.00V
[Cu(NH3)4]2++ 2e?Cu + 4NH3 配合物电极
Eo ([Cu(NH3)4]2+/Cu) = –0.030V
氧化还原与配合物
(–) Ag│AgNO3(0.025M),NH3H2O(1.0M) ||
AgNO3(0.010M),KNO3(0.015M)│Ag (+)
?=0.406V
[Ag(NH3)2]+ = 0.025mol/dm3
[NH3]=1.0?2?0.025=0.95 mol/dm3
据 ?=0.406V= E(+)?E(?) 得 K稳 =2.1?107
电化学方法测 K稳, 设计电池
)Agl g (10 5 9 2.0E )E( /A gAg0 ???? ?
)l g ( A g10, 0 5 9 2E / A gAgE )E( / A g]2)3[ A g ( N H 0 ????? ??

K2]
3
[ N H
)]
2
)
3
[ A g ( N H
lg
1
0, 0 5 9 2
E / A gAg0
?
?
?? ?
[Ag(NH3)2]+ + e?Ag + 2NH3
配合物电极

K2]
3
[ N H
)]
2
)
3
[ A g ( N H
lg
1
0, 0 5 9 20
/A gAg
E
?
?
?
?
?
E /A g]2)3[ A g ( N H ?
用 Nernst方程求平衡常数
K稳
标态 Eo(Ag(NH3)2+/Ag)
= Eo(Ag+/Ag) + (0.059/1) lg (1/K稳,Ag(NH3)2+)
非标 E (Ag(NH3)2+/Ag) = Eo(Ag+/Ag) +
(0.059/1) lg (Ag(NH3)2+)/((NH3)2 ·K稳,Ag(NH3)2+)
[Ag(NH3)2]+ + e?Ag + 2NH3
E(O/R) = Eo(O/R) + (0.0591/n) lg(O)/(R)
Ksp
标态 Eo(AgCl/Ag) = Eo(Ag+/Ag) + (0.059/1) lg Ksp,AgCl
非标 E (AgCl/Ag)= Eo(Ag+/Ag) + (0.059/1) lg Ksp,AgCl / (Cl-)
Ka
标态 Eo(HA/H2) = Eo(H+/H2) + (0.059/2) lg Ka,HA
非标 E(HA/H2)
= Eo(H+/H2)+(0.059/2)lgKa,HA·(HA)2/p(H2) ·(A-)2
用 Nernst方程求平衡常数
Co2+ + 4 SCN? = [Co(NCS)4]2? (蓝紫色 )
Fe3+ + x SCN? = [Fe(NCS)x]3?x (血红色 )
+
3F? (NH4F,掩蔽剂 )
?
[FeF3] (无色 )
Fe(NCS)3 +3F? = FeF3 +3SCN?
K = K稳,FeF3 / K稳,Fe(NCS)3 = 2.8?106
配合物之间的转化与平衡
用 SCN?检测
Co2+ 时,加入
NH4F来消除
Fe3+ 的干扰
4 Au + 8 CN– + 2H2O + O2 = 4Au(CN)2– + 4OH–
Zn + 2Au(CN)2– = 2Au + Zn(CN)42–
砂矿中提取金:
Fe2+ K3[Fe(CN)6] Fe3[Fe(CN)6]2(s,蓝 )
(赤血盐 ) (滕氏蓝 )
邻菲罗啉 螯合物 (s,桔红 )
Fe3+ KNCS Fe(NCS)3
K4[Fe(CN)6] Fe4[Fe(CN)6]3(s,蓝 )
(黄血盐 ) (普鲁氏蓝 )
Al3+ 铝试剂 螯合物 (s,红 )
Ni2+ 镍试剂 螯合物 (s,红 )
Co2+ KNCS K2Co(NCS)4(丙酮,蓝 )
Cu2+ K4[Fe(CN)6] Cu2[Fe(CN)6](s,红褐 )
Zn2+ (NH4)2[Hg(SCN)4] Zn[Hg(SCN)4](s,白 )
K+ Na3[Co(NO2)6] K2Na[Co(NO2)6](s,黄 )
Na+ K[Sb(OH)6] Na[Sb(OH)6](s,白 )
*配合物在定性分析上的应用( 不要求 )
检出离子 所用试剂 生成物
9.1,9.9,9.11(参见 p211表 9- 13),
9.12,9.20
作业: