Związki kompleksowe powstają poprzez utworzenie wiązania pomiędzy ligandemligandyligandem a jonem (atomem) centralnym. Charakteryzują się one tym, że:

• wiązania koordynacyjne, łączące ligandy z jonem (atomem) centralnym, utworzone zostają przez parę elektronową pochodzącą od liganda;

• ligandy i jon (atom) centralny mogą istnieć niezależnie jako trwałe drobiny (cząsteczki lub jony).

Wobec tego, oprócz typowych kompleksów w rodzaju ${\left[\text{Al}{\left(\text{OH}\right)}_4\right]}^{-}$ (anionu tetrahydroksoglinianowego), ${\left[\text{Fe}{\left(\text{CN}\right)}_6\right]}^{4-}$ (anionu heksacyjanożelazianowego($\text{II}$)) lub ${\left[\text{Mn}{\left({\text{H}}_2\text{O}\right)}_6\right]}^{2+}$ (kationu heksaakwamanganu($\text{II}$)), do tej grupy można także zaliczyć ${{\text{NH}}_4}^{+}$ (jon amonu) czy ${{\text{I}}_3}^{-}$ (anion trijodkowy), a także inne cząsteczki/jony utworzone w wyniku reakcji między kwasem a zasadą w ujęciu Lewisateoria LewisaLewisa. Reakcję powstawania kompleksu przedstawiono poniżej:

RJZfk74u3q1Mv

Ilustracja przedstawiająca następujące równanie. Cztery aniony hydroksylowe ${\text{OH}}^{-}$, gdzie atom wodoru łączy się za pomocą wiązania pojedynczego z atomem tlenu posiadającym trzy wolne pary elektronowe. Anion opisano jako dawcę (donor) lub zasadę. Dodać kation glinu ${\text{Al}}^{3+}$ opisany jako biorca (akceptor ) lub kwas. Strzałka w prawo. Za strzałką anion tetrahydroksoglinianowy opisany jako kompleks (addukt), który stanowi centralnie usytuowany kation glinu ${\text{Al}}^{3+}$ otoczony z czterech stron (od góry, od dołu z prawej i z lewej strony) grupami $\text{OH}$ skierowanymi atomami tlenu do kationu. Na każdej grupie zaznaczono po dwie wolne pary elektronowe, a wiązania koordynacyjne pomiędzy atomami tlenu i kationem oznaczono strzałkami zwróconymi do owego kationu.

Do najpowszechniejszych ligandów zalicza się:

• cząsteczki wody (${\text{H}}_2\text{O}$) i jony wodorotlenkowe ($\text{O}{\text{H}}^{-}$), w których atomem donorowym jest atom tlenu;

• cząsteczki amoniaku ($\text{N}{\text{H}}_3$), w których atomem posiadającym wolną parę elektronową i donorem tej pary jest atom azotu.

Gdy ligandem w kompleksie jest cząsteczka wody, mówi się o obecności liganda akwa w kompleksie. Cząsteczka wody posiada dwie wolne pary elektronowe należące do atomu tlenu. Dzięki temu może pełnić rolę zasady Lewisa w tworzeniu się wiązania koordynacyjnego. Ligand akwa jest ligandem obojętnym, zatem nie wpływa na ładunek jonu kompleksowego

ROFTG0kUJB5De

Ilustracja przedstawiająca dwie reakcje, którym ulega cząsteczka wody. Wzór strukturalny wody składa się z atomu tlenu połączonego z dwoma atomami wodoru za pomocą wiązań pojedynczych. Na atomie tlenu zaznaczone są dwie wolne pary elektronowe w postaci kresek. Pierwsza reakcja. Od cząsteczki wody poprowadzono strzałkę w prawo, nad którą znajduje się jon ${\text{H}}^{+}$. Za strzałką jon hydroniowy zbudowany z atomu tlenu połączonego z dwoma atomami wodoru za pomocą wiązań pojedynczych. oraz z jednym za pomocą wiązania koordynacyjnego. Wiązanie to symbolizuje strzałka poprowadzona od atomu tlenu do wodoru. Na atomie tlenu zaznaczona jest jedna wolna para elektronowa w postaci kreski. Opisana struktura znajduje się w nawiasie kwadratowym. Względem niego w indeksie górnym znajduje się znak plus wskazujący na ładunek jonu. Druga reakcja. Od cząsteczki wody poprowadzono drugą strzałkę w prawo, nad którą znajduje się kation metalu ${\text{M}}^{x+}$. Za strzałką znajdują się przykładowe kompleksy ${\left[\text{Al}{\left({\text{H}}_2\text{O}\right)}_6\right]}^{3+}$, ${\left[\text{Cr}{\left({\text{H}}_2\text{O}\right)}_6\right]}^{3+}$, ${\left[\text{Mn}{\left({\text{H}}_2\text{O}\right)}_6\right]}^{2+}$, ${\left[\text{Fe}{\left({\text{H}}_2\text{O}\right)}_6\right]}^{2+}$, ${\left[\text{Cu}{\left({\text{H}}_2\text{O}\right)}_6\right]}^{2+}$ oraz <math aria‑label="nawias kwadratowy Zet n nawias H indeks dolny dwa koniec indeksu O zamknięcie nawiasu indeks dolny sześć koniec indeksu zamknięcie nawiasu kwadratowego indeks górny dwa plus koniec indeksu">ZnH2O63+

Tworzenie się akwakompleksówakwakompleksyakwakompleksów zachodzi powszechnie w wodnych roztworach kationów metali, gdzie kationy te stanowią jon centralny powstających kompleksów. Zatem zapisywanie wzoru kationu metalu w reakcji dysocjacji jego soli jest jedynie uproszczeniem – w rzeczywistości kationy te raczej nie są obserwowane w stanie wolnym. W formie akwakompleksów występują także hydraty kationów metali w postaci kryształów.

Innym powszechnym akwakompleksem jest jon powstający w wyniku autodysocjacji wody oraz w wyniku dysocjacji kwasów, czyli jon oksoniowy: ${\text{H}}_3{\text{O}}^{+}$. Powstaje on wskutek akceptacji przez jon wodoru pary elektronowej należącej do atomu tlenu w cząsteczce wody. Proces tworzenia się tych kompleksów jest tak szybki, że w roztworze wodnym wolne jony wodoru w zasadzie nie występują. Dlatego pomiar pH, którego wartości uzyskuje się poprzez badanie stężenia jonów wodoru w roztworze, tak naprawdę sprawdza stężenie jonów oksoniowych.

W roztworach wodnych o zasadowym pH ligandami dla jonu centralnego mogą stać się jony wodorotlenkowe. W ich przypadku atom tlenu posiada aż trzy wolne pary elektronowe, mogące utworzyć wiązanie koordynacyjne. Ligand hydrokso jest ligandem ujemnym, zatem obniża ładunek jonu kompleksowego.

Rk6qFQOEoN2zs

Ilustracja przedstawiająca dwie reakcje, którym ulega anion hydroksylowy. Wzór strukturalny jonu składa się z atomu wodoru H połączonego za pomocą wiązania pojedynczego z atomem tlenu. Atom tlenu posiada trzy wolne pary elektronowe i obdarzony jest ładunkiem ujemnym, co zaznaczono znakiem minus w indeksie górnym. Pierwsza reakcja. Od anionu poprowadzono strzałkę w prawo, nad którą znajduje się jon ${\text{H}}^{+}$. Za strzałką cząsteczka wody zbudowana z atomu tlenu połączonego z dwoma atomami wodoru za pomocą wiązań pojedynczych. Na atomie tlenu zaznaczone są dwie wolne pary elektronowe w postaci kresek. Druga reakcja. Od anionu hydroksylowego poprowadzono drugą strzałkę w prawo, nad którą znajduje się kation metalu ${\text{M}}^{x+}$. Za strzałką znajdują się przykładowe kompleksy ${\left[\text{Al}{\left(\text{OH}\right)}_4\right]}^{-}$, ${\left[\text{Al}{\left(\text{OH}\right)}_6\right]}^{3-}$, ${\left[\text{Cr}{\left(\text{OH}\right)}_6\right]}^{3-}$ oraz <math aria‑label="nawias kwadratowy Zet n nawias O H zamknięcie nawiasu indeks dolny cztery koniec indeksu zamknięcie nawiasu kwadratowego indeks górny dwa minus koniec indeksu">ZnOH42-.

Jednymi z najpopularniejszych hydroksokompleksówhydroksokompleksyhydroksokompleksów są kompleksy metali o charakterze amfoterycznym, takich jak cynk czy glin. Powstają one np. w wyniku reakcji wodorotlenków tych metali z wodnymi roztworami wodorotlenków będących mocnymi elektrolitami. Co więcej, w niektórych przypadkach stężenie tych mocnych elektrolitów wpływa na liczbę ligandów przyjmowanych przez kation metalu, np. w przypadku glinu:

• $\text{Al}{\left(\text{OH}\right)}_3+{\text{NaOH}}_{\left(\text{rozc}.\right)}\to {\left[\text{Al}{\left(\text{OH}\right)}_4\right]}^{-}+{\text{Na}}^{+}$

• $\text{Al}{\left(\text{OH}\right)}_3+3 {\text{NaOH}}_{\left(\text{stęż}.\right)}\to {\left[\text{Al}{\left(\text{OH}\right)}_6\right]}^{3-}+3 {\text{Na}}^{+}$

Co więcej, podwyższenie pH roztworu zawierającego kationy metali prowadzi do wymiany cząsteczek wody w akwakompleksach na jony wodorotlenkowe, a proces ten zachodzi szybciej w sytuacji, gdy ilość cząsteczek wody związanej z jonem centralnym jest większa, a pH roztworu jest wyższe. Warto zauważyć, że większość akwakompleksów wykazuje charakter kwasowy, bowiem w wodnym roztworze o obojętnym pH dochodzi do deprotonacji jednej z cząsteczek wody, będących ligandami.

gdzie:

• $Me$ – kation metalu;

• $n$ – ładunek jonu kompleksowego,

W przypadku akwakomplesów niektórych metali, deprotonacji w takich warunkach ulegają nawet dwie cząsteczki wody. Czasami deprotonacji towarzyszy wytrącanie się osadu akwahydroksokompleksu, jak w przypadku jonu miedzi($\text{II}$):

Wzór wytrącającego się kompleksu zapisuje się w uproszczeniu jako wodorotlenek metalu lub uwodniony tlenek metalu.

Obniżenie pH natomiast prowadzi do protonacjiprotonacjaprotonacji jonów wodorotlenkowych w kompleksie i odtworzenia akwakompleksu. W analogiczny sposób zachodzi reakcja neutralizacji w roztworze o charakterze zasadowym, kiedy to anion wodorotlenkowy staje się donorem wiązania koordynacyjnego dla jonu wodoru, pochodzącego np. od mocnego kwasu dodanego do roztworu lub od obecnych w roztworze kationów oksoniowych:

Warto też zaznaczyć, że niektóre jony metali nie tworzą hydroksokompleksów, jak na przykład jony kobaltu($\text{II}$), kobaltu($\text{III}$) czy niklu($\text{II}$).

W wyniku dodania amoniaku do roztworu zawierającego jony metali może dojść do powstania aminakompleksów, gdzie cząsteczki amoniaku pełnią rolę ligandów. Atom azotu w cząsteczce amoniaku posiada bowiem jedną wolną parę elektronową, która może brać udział w tworzeniu wiązania koordynacyjnego.

R1SPo4hPCJOVn

Ilustracja przedstawiająca dwie reakcje, którym ulega cząsteczka amoniaku. Wzór strukturalny amoniaku składa się z atomu azotu N połączonego za pomocą trzech wiązań pojedynczych z trzema atomami wodoru H. Atom azotu posiada zaznaczoną wolną parę elektronową w postaci kreski. Pierwsza reakcja. Od amoniaku poprowadzono strzałkę w prawo, nad którą znajduje się jon ${\text{H}}^{+}$. Za strzałką jon amonowy przedstawiony następująco. Atom azotu N łączy się za pomocą trzech wiązań pojedynczych z trzema atomami wodoru. Oraz za pomocą wiązania koordynacyjnego z czwartym atomem wodoru. Wiązanie to reprezentuje strzałka poprowadzona od atomu azotu do atomu wodoru. Całość znajduje się w nawiasie kwadratowym. Względem niego w indeksie górnym znajduje się znak plus wskazujący ładunek jonu. Druga reakcja. Od amoniaku poprowadzono drugą strzałkę w prawo, nad którą znajduje się kation metalu ${\text{M}}^{x+}$. Za strzałką zapis glin $\text{Al}$ nie tworzy aminakompleksów. Poniżej przykładowe kompleksy ${\left[\text{Cu}{\left({\text{NH}}_3\right)}_4\right]}^{2+}$ oraz <math aria‑label="nawias kwadratowy Zet n nawias N H indeks dolny trzy koniec indeksu zamknięcie nawiasu indeks dolny cztery koniec indeksu zamknięcie nawiasu kwadratowego indeks górny dwa plus koniec indeksu">ZnNH342+.

Aminakompleksy mogą powstawać, gdy do trudno rozpuszczalnej soli dodany zostanie nadmiar amoniaku, jak w przypadku chlorku srebra($\text{I}$):

W reakcji tej powstaje chlorek diaminasrebra($\text{I}$) – dobrze rozpuszczalna sól, która dysocjuje na jony:

Innym przykładem powstawania aminakompleksów jest podmiana (substytucja) cząsteczek wody w akwakompleksach przez cząsteczki amoniaku w sytuacji, gdy aminakompleksy danego metalu charakteryzują się większą trwałością niż akwakompleksy, jak w przypadku jonu tetraakwamiedzi($\text{II}$):

Podobnie jak w przypadku liganda hydrokso, nie wszystkie jony metali tworzą aminaakompleksy. Należą do nich m. in. jony glinu oraz jony żelaza($\text{III}$).

Słownik

Bibliografia

Bielański A., Podstawy chemii nieorganicznej, Warszawa 1997.