吉配位化合物实用教案

1、1 111 配位化合物的基本概念 112 配位化合物的价键理论(lln) 113 配位化合物的晶体场理论(lln) 114 配位化合物的稳定性第1页/共60页第一页，共61页。2配位化合物的发展史19世纪末期，德国化学家发现一系列令人难以回答的问题，氯化钴跟氨结合，会生成颜色各异、化学性质(huxu xngzh)不同的物质。经分析它们的分子式分别是CoCl36NH3、CoCl35NH3、CoCl35NH3H2O、CoCl34NH3。同是氯化钴，但它的性质不同，颜色也不一样。为了解释上述情况，化学家曾提出各种假说，但都未能成功。直到1893年，瑞士化学家维尔纳（AWerner）发表的一篇研究分子

2、加合物的论文，提出配位理论和内界、外界的概念，标志着配位化学的建立，并因此获得诺贝尔化学奖。第2页/共60页第二页，共61页。111 配位(pi wi)化合物的基本概念1111 配位(pi wi)化合物1. 配位(pi wi)化合物定义由中心原子（或离子）和几个配体分子（或离子）以配位(pi wi)键相结合而形成的复杂分子或离子，通常称为配位(pi wi)单元，含有配位(pi wi)单元的化合物称为配位(pi wi)化合物。 配位阳离子： Co ( NH3 )6 3 和 Cu ( NH3 )4 2配位阴离子： Cr(CN)63 和 Co(SCN)42中性(zhngxng)配合物分子：Ni(CO

3、)4 和Cu(NH2CH2COO)2 第3页/共60页第三页，共61页。42. 配合(pih)物组成第4页/共60页第四页，共61页。53. 中心原子（离子(lz)）： 也称为配位化合物的形成体。4. 配位体与中心离子结合的含孤电子对的离子或分子。中性分子配体 ：H2O、NH3等阴离子配体 ：Cl、CN等直接(zhji)同中心离子相连接的原子称为配位原子。第5页/共60页第五页，共61页。65. 多基配体和螯合物单基配体：只有一个(y )配位原子的配体（NH3，H2O）；双基配体：含有二个配位原子的配体 (C2O42 ，en)等；多基配体：含有多个配位原子的配体 (EDTA)。第6页/共60页

4、第六页，共61页。7常见(chn jin)的多齿配体：乙二胺四乙酸（EDTA）HOOCH2CCH2COOHNCH2-CH2NHOOCH2CCH2COOH第7页/共60页第七页，共61页。8常见(chn jin)配体的名称:F 氟， Cl 氯， Br 溴， I 碘， O2 氧， N3 氮， S2 硫， OH 羟，CN 氰， H 氢， NO2 硝基， ONO 亚硝酸根， SO42 硫酸根， C2O42 草酸根， SCN 硫氰酸根， NCS 异硫氰酸根， N3 叠氮，O22 过氧根，N2 双氮， O2 双氧， NH3 氨， CO 羰， NO亚硝酰， H2O 水， en 乙二胺，ph3P 三苯基膦，1

5、112 配位(pi wi)化合物的命名第8页/共60页第八页，共61页。91. 在配合(pih)物的内、外界之间加“化”字或“酸”字。例：Co (NH3 )6 Cl3 三氯化六氨合钴（III）Cu2 Si F6 六氟合硅 ( IV ) 酸亚铜2 . 在配位(pi wi)单元内先配体后中心。配体前面用 二、三、四 表示该配体的个数；几种不同的配体之间加“ ”号隔开；配体与中心之间加“合”字；中心后面加 ( )，内用罗马数字表示中心的价态。第9页/共60页第九页，共61页。103 . 配体的先后顺序 （1）先无机后有机（2）先阴离子后分子（3）同类配体中，按配位原子在英文字母表中的次序。（4）配位

6、原子相同，配体中原子个数少的在前（5）配体中原子个数相同，则按和配位原子直接(zhji)相连的其它原子英文字母次序。 第10页/共60页第十页，共61页。11例111 命名下列(xili)配合物PtCl2(Ph3P)2 K PtCl3 (NH3 ) Co (NH3 )5 H2O Cl3Pt(Py)(NH3 )(NH2OH)(NO2)Cl Pt (NH3)2 (NO2) (NH2) 1. 二氯二(三苯基膦)合铂(II)2. 三氯氨合铂(II) 酸钾3. 三氯化五氨水合(shuh)钴(III)4. 氯化硝基氨羟胺吡啶合铂 (II)5. 氨基 硝基 二氨合铂（）第11页/共60页第十一页，共61页。

7、121113 配位(pi wi)化合物的异构现象 1. 结构异构 （1）解离异构 如用Ba2使紫色的CoBr(NH3)5SO4中SO42 定量沉淀，用Ag 使红色的 CoSO4(NH3)5 Br中Br 定量沉淀。 （2）配位(pi wi)异构 如 Co(NH3)6 Cr(CN)6 中Co3 与Cr3交换配体，得到其配位(pi wi)异构体 Cr(NH3)6 Co(CN)6。（3）键合异构 如N配位(pi wi)的NO2 和O配位(pi wi)的ONO，导致的两种键合异构体分别为 Co(NO2) (NH3)5Cl2 和 Co(ONO) (NH3)5Cl2。第12页/共60页第十二页，共61页。1

8、32. 立体(lt)异构 （1）顺反异构 ： Co(en) 2Cl2 顺式(紫色)和反式(绿色)（2）旋光异构：四面体配合(pih)物中Mabcd有旋光异构体。第13页/共60页第十三页，共61页。141121 配合物的构型 配位单元的构型由中心空轨道(gudo)的杂化类型决定。常见配位单元的构型有：直线形，三角形，四面体，正方形，三角双锥，正八面体。112 配合物的价键理论把杂化轨道理论应用于配合物的结构与成键研究，就形成配合物的价键理论。其实质是配体中配位原子(yunz)的孤电子对向中心的空杂化轨道配位形成配位键。第14页/共60页第十四页，共61页。15 配位(pi wi)数 中心杂化类

9、型 构 型 实 例 2 sp 直线形 Ag(NH3)2 3 sp2 三角形 Cu(CN)32 4 sp3 四面体 Zn(NH3)42 4 dsp2 正方形 Ni(CN)42 5 sp3d 三角双锥 Fe(SCN)52 5 dsp3 三角双锥 Fe(CO)5 6 sp3d2 正八面体 Co(NH3)62 6 d2sp3 正八面体 Co(NH3)63第15页/共60页第十五页，共61页。161122 中心价层轨道的杂化 若中心参与杂化的的价层轨道属同一主层，即中心采取(ciq)ns np nd杂化，形成的配合物被称为外轨型配合物；若中心参与杂化的的价层轨道不属同一主层，即中心采取(ciq)(n1)

10、d ns np杂化，形成的配合物被称为内轨型配合物。第16页/共60页第十六页，共61页。171. ns np nd 杂化 例112 讨论Fe(H2O)63 配离子(lz)中的成键情况 解:sp3d2杂 化第17页/共60页第十七页，共61页。182 ( n1)d ns np 杂化 例113 讨论Co(CN)63 的杂化与成键情况解 Co3 3d6 , CN 为强配体，使Co3 的6个d 电子(dinz)重排，空出的2个3d轨道参与杂化，中心采取d2sp3杂化，配离子 Co(CN)63 为 正八面体构型。重 排第18页/共60页第十八页，共61页。191123 配位化合物的磁性 化合物中成单电

11、子数和磁性有关。磁矩 和单电子数n 有如下(rxi)关系，式中B.M. 为玻尔磁子。.M.B)2( nn例114 在 Co(NH3)63 中d 电子是否发生(fshng)重排？若实验测得 0，推出 n 0，无单电子，说明3d 6 电子发生(fshng)重排；若实验测得 0，推出 n 0，说明3d 6 电子不重排。第19页/共60页第十九页，共61页。201124 价键理论中的能量问题内轨配合(pih)物一般较外轨配合(pih)物稳定，说明 E内轨 E外轨。第20页/共60页第二十页，共61页。211125 配合物中的dp配键（反馈键）过渡金属与羰基、氰、链烯烃(xtng)、环烯烃(xtng)等

12、含有电子配体形成的配合物都含有dp 配键（反馈键）。1. 羰基(tn j)配合物单核配合物：Ni(CO)4、Fe(CO)5 等；双核配合物：Fe2(CO)9、Co2(CO)8 等；第21页/共60页第二十一页，共61页。22例115 讨论Ni (CO)4的成键情况解：Ni采取sp3杂化，CO中C上的孤电子对向Ni的sp3 杂化空轨道配位，形成配键。实验结果表明，Ni(CO)4 较稳定(wndng)，这和配体与中心之间只有配键不符，进一步实验和理论计算都证明，中心与配体之间肯定还有其它成键作用。Ni (CO)4 中dp配键示意图第22页/共60页第二十二页，共61页。232氰配合物3 氰（CN）

13、配位能力很强，与过渡金属形成的配合物都很稳定，除了C原子给电子能力较强外，氰能与过渡金属形成dp配键也是一个(y )重要因素。4 配体CN与CO相似，既有可配位的孤电子对，又有与d轨道对称性一致的* 轨道可接受d电子的配位。与羰基配合物成键过程相似，CN配体中C上的孤电子对向金属的杂化空轨道配位，形成配键，金属的d电子向CN * 轨道配位，形成dp配键。第23页/共60页第二十三页，共61页。243 烯烃配合物1827年，丹麦(dn mi)药剂师Zeise合成了K PtCl3(C2H4) H2O，这是第一个有机金属化合物，但其结构直到120多年后才确定。乙烯的成键电子向铂的杂化轨道配位，按成键

14、的对称性应为配键；金属d轨道的电子向乙烯的 * 轨道配位，形成dp配键。 配键 dp 配键铂与乙烯(y x)之间的成键示意图第24页/共60页第二十四页，共61页。25113 配位化合物的晶体场理论1131 晶体场中的 d 轨道 在自由原子或离子中，五种(w zhn) d 轨道的能量简并，其原子轨道的角度分布如图 第25页/共60页第二十五页，共61页。261. 晶体(jngt)场中d 轨道的分裂 （1）八面体场八面体场中d轨道(gudo)的分裂 第26页/共60页第二十六页，共61页。27（2） 四面体场四面体场中的坐标(zubio)和d轨道的分裂由于d和d两组轨道(gudo)与配体电场作用

15、的大小区别，远不如在八面体场中的明显，所以四面体场的分裂能 t 较小，t o 。正方形场中坐标的选取和d轨道(gudo)的分裂 第28页/共60页第二十八页，共61页。292. 影响分裂能大小的因素（1）晶体(jngt)场的对称性：p o t（2）中心离子电荷数：电荷高，与配体作用强， 大。 Fe(CN)63 Fe(CN)64 （3）中心原子所在周期数：周期数大， 相对大些。 Hg(CN)42 Zn(CN)42 （4）配体影响：配位原子的电负性越小，分裂能大。I Br SCN Cl F OHONOC2O42 H2O NCS NH3 en NO2 P 高自旋(z xun)方式 P 第30页/共6

16、0页第三十页，共61页。31例117 讨论下列二种配离子d电子排布(pi b)情况。Fe(H2O)62 中 10400 cm1 ，P 15000 cm1Fe(CN)64 中 26000 cm1 ，P 15000 cm1Fe(H2O)62 ( P) 高自旋排布(pi b) (d)4 (d)2 低自旋排布(pi b)(d)6 (d)0 第31页/共60页第三十一页，共61页。321132 晶体场稳定化能1、 分裂(fnli)后d 轨道的能量 以球形场时5个简并的d轨道的能量为零点，讨论分裂(fnli)后的 d 轨道的能量。电场对称性的改变不影响 d 轨道的总能量，d 轨道分裂(fnli)后，总的能

17、量仍与球形场的总能量一致，规定其为零。第32页/共60页第三十二页，共61页。33（1）八面体场分裂后的d 轨道(gudo)的能量：列方程组 E d E d o ， 3 Ed 2 Ed 0解得 ： E d 35 o， E d 25 o若设分裂能 o 10 Dq ， 则E d 6 Dq ，E d 4 Dq第33页/共60页第三十三页，共61页。34（2）四面体场分裂后的d 轨道的能量: 列方程组 Ed Ed t，3 Ed2Ed 0 解得： Ed 25 t， Ed 35 t 若 t 10 Dq ， 则 E d 4 Dq，E d 6 Dq对于(duy)相同的中心和配体 t 4/9 o 第34页/共6

18、0页第三十四页，共61页。352 晶体场稳定化能 ( C F S E ) d 电子在晶体场中分裂(fnli)后的d轨道中排布，其能量用E晶 表示，在球形场中的能量用E球 表示。因晶体场的存在，体系总能量的降低值称为晶体场稳定化能 ( Crystal Field Stabilization Energy )。 由E球0，则 CFSE E球E晶 0 E晶 第35页/共60页第三十五页，共61页。36例118 计算(j sun)八面体强场中 d 5 组态的 CFSE 解： E晶 ( 4 Dq )5 2p 20 Dq 2P CFSE E球 E晶 0 (20 Dq 2P) 20 Dq 2P 2 2P 球

19、形场 八面体强场 d电子(dinz)在球形场中和八面体强场中电子(dinz)排布第36页/共60页第三十六页，共61页。37例119 计算正四面体(zhn s min t)弱场d6组态的CFSE。 解：E晶 ( 6 Dq )3 ( 4 Dq )3 6 DqCFSE 0E晶 0( 6 Dq ) 6 Dq球形场 四面(smin)体弱场球形场和八面体强场中电子排布第37页/共60页第三十七页，共61页。38例1110 求 Fe(CN)64的 CFSE。已知： 33800 cm1，P 15000 cm1。解： Fe2 3d 6 , CN 为强场，低自旋(z xun)，o P CFSE 0 (2 /5

20、o )6 2 P 12 / 5 o2 p 12 / 533800 cm1215000 cm1 51120 cm1 球形场 八面体强场第38页/共60页第三十八页，共61页。393 用晶体场稳定化能解释水合(shuh)热的双峰曲线水是弱场，无成对能P的问题(wnt)。下面给出M2 水合离子d 0 d10 的晶体场稳定化能CFSE与d电子数的对应关系。d电子数 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10CFSEDq 0 4 8 12 6 0 4 8 12 6 0第39页/共60页第三十九页，共61页。401133 过渡金属化合物的颜色1. 吸收光谱 自然光照射物质上，可见光全部通过，则物质无色透

21、明(tumng)；可见光全部反射，则物质为白色；可见光全部被吸收，则物质显黑色。当部分波长的可见光被物质吸收，而其余波长 (即与被吸收的光互补) 的光通过或反射出来，则物质显示颜色。这就是吸收光谱的显色原理。 若吸收部分在红外或紫外，则可见光全透过或全反射。第40页/共60页第四十页，共61页。412. dd 跃迁 晶体场中d轨道(gudo)的电子在光照下吸收了能量相当于分裂能的光能后从低能级d 轨道(gudo)跃迁到高能级d 轨道(gudo)，称之为d d跃迁。若d d跃迁所需能量恰好在可见光能量范围内，即d电子在跃迁时吸收了可见光波长的光子，则化合物显示颜色。若d d跃迁吸收的是紫外光或红

22、外光，则化合物不显色。第41页/共60页第四十一页，共61页。42表111 物质吸收的可见光波长(bchng)与颜色吸收光吸收光波长波长nm吸收光吸收光波数波数cm1吸收可见光吸收可见光颜色颜色物质的颜色物质的颜色400435435480480490490500500560560580580595595605605750250002300023000208002080020400204002000020000179001790017200172001680016800165001650013333紫紫蓝蓝绿蓝绿蓝蓝绿蓝绿绿绿黄绿黄绿黄黄橙橙红红黄绿黄绿黄黄橙橙红红紫红紫红紫紫蓝蓝绿蓝绿蓝蓝绿蓝

23、绿第42页/共60页第四十二页，共61页。43例1111 讨论 Ti( H2O )63 的颜色 解：Ti 3 电子构型为3 d 1 ，电子排布为(d)1(d)0 ，在自然光的照射下，电子吸收了能量相当于 O 波长的部分(b fen)，d电子发生跃迁为 (d)0 (d)1 。由于电子跃迁主要吸收绿色可见光， 故Ti( H2O )63 显紫红色。可见光第43页/共60页第四十三页，共61页。44例1112 讨论Mn(H2O)62 的颜色。解： Mn2 3d 5，H2O为弱场，d 电子排布为(d)3(d)2。当吸收了自然光中蓝绿色光后，发生(fshng)dd 跃迁，d 电子排布变为 (d)2(d)3

24、 ，于是Mn(H2O)62 显粉红色。由于Mn(H2O)62 中心的5个d电子自旋平行，电子跃迁几率小，使Mn(H2O)62 颜色很浅，为浅粉红色。可见光第44页/共60页第四十四页，共61页。453. 电荷(dinh)迁移dd 跃迁的化合物一般无色或白色，例： d 0 和 d 10Cu ( I ) Cd ( II ) La ( III ) Ti ( IV )3d10 4d10 5d0 3d 0 4. 但也有一些组态(z ti)为 d 0和d 10的化合物有颜色，为什么？ CdI2 (4d10) HgI2 (5d10) 黄 绿 色 红 色 第45页/共60页第四十五页，共61页。46 这些无d

25、 d 跃迁的化合物，为什么ZnI2没有颜色而CdI2和HgI2却有颜色呢？ 对于MI2来说，M2 的极化作用使其有获得电子的趋势，同时，半径较大(jio d)的I 有给出电子的趋势。Zn2 的极化能力较差，ZnI2要吸收紫外光方可实现电子从I向Zn2迁移，故可见光全透过，即在可见区无吸收，因而无色。 CdI2正负离子间相互极化作用较强，吸收紫色可见光即可实现电子于从负离子向正离子迁移，因而化合物显黄绿色。Hg2 既有较强的极化作用，又有较大(jio d)的变形性，与半径大的I 之间有较强的相互极化作用，电子从I向Hg2迁移更容易，HgI2吸收蓝绿色光即可，因而化合物显红色。第46页/共60页第

26、四十六页，共61页。471134 JahnTeller 效应(xioyng)解释 Cu(NH3)42 离子的正方形结构，Cu(NH3)4(H2O)22 离子为拉长的八面体结构？按晶体场理论，Cu2 为d9 电子构型。在八面体场中，最后一个电子有两种排布方式：一种是最后一个电子排布到 d x2y2 轨道，则 xy 平面上的4个配体受到的斥力大，距核较远，形成压扁的八面体。第47页/共60页第四十七页，共61页。48第48页/共60页第四十八页，共61页。49 这恰好解释了 Cu(NH3)4(H2O)22 为拉长的八面体。若轴向的两个(lin )配体拉的太远，则失去轴向两个(lin )配体，变成

27、Cu(NH3)42 正方形结构。即Jahn Teller效应。PtCl42由八面体场转为正方形场第49页/共60页第四十九页，共61页。50114 配位(pi wi)化合物的稳定性1. 酸碱的软硬分类硬酸： 变形性小，半径小，电荷(dinh)高正离子。如 : Na、Mg2、 Al3、 Ti4 、Mn2、Fe3软酸 ：变形性大，半径大，电荷(dinh)低的正离子。如：Cu、Ag、Cd2、Hg2、Hg22、Tl交界酸：其变形性介于硬酸和软酸之间。如： Cr2、Fe2、Co2、Ni2、Cu2、Zn21141 酸碱的软硬分类(fn li)第50页/共60页第五十页，共61页。51硬碱： 给出电子对的原

28、子的电负性大，不易(b y)变形。如 ： F、Cl、H2O、OH、O2、SO42、NO3、NH3软碱： 给出电子对的原子的电负性小，易变形。如： I 、S2、CN、SCN、CO、S2O32、C6H6交界碱： 其变形性介于硬碱和软碱之间。如 ： Br 、SO32、N2、NO2第51页/共60页第五十一页，共61页。522. 软硬酸碱结合原则软亲软，硬亲硬；软和硬，不稳定。软硬酸碱理论在解释某些(mu xi)配合物的稳定性和元素在自然界的存在状态等方面很成功。 第52页/共60页第五十二页，共61页。53例1113 用软硬酸碱理论解释配位离子(lz)的稳定性次序 （1） HgI42 HgBr42

29、HgCl42 HgF42 （2）Al F63 AlCl63 AlBr63 AlI63 解 Hg2 为软酸，而从I 至F 半径减小，从软碱向硬 碱过渡， HgI42更稳定。Al3 为硬酸，从F 至I半径依次(yc)增大，从硬碱向软碱过渡， Al F63更稳定。第53页/共60页第五十三页，共61页。54十八电子规则过渡金属价层达到18个电子时，配合物一般较稳定，亦称有效原子序（EAN）规则。例如(lr)：Fe(CO)5，Ni(CO)4。Co2(CO)8， Fe2(CO)9等符合十八电子规则的配合物都较稳定。而Mn(CO)5或Co(CO)4 不符合十八电子规则，都不存在。又例如(lr)：二茂铁 Fe(C5H5)2 符合十八电子规则，较稳定；而Ni(C5H5)2 和Co(C5H5)2 等不符合十八电子规则，稳定性差，容易被氧化。第54页/共60页第五十四页，共61页。551143 配合(pih)平衡1. 配合(pih)解离平衡与平衡常数 配合(pih)物的内外界之间在水中全部解离，而配合(pih)物内界只部分解离，即存在配合(pih)解离平衡。例：Ag 2 NH3 Ag (NH3)2 K稳 1.11072323)(NHAgNHAgK稳)NH(AgNHAgK323不稳第55页/共60页第五十五页，共61页。56例1114 将 0.20 mo