第五讲配位化合物PPT讲稿.ppt

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1、第五讲配位化合物第1页，共40页，编辑于2022年，星期三全国初赛基本要求全国初赛基本要求 路易斯酸碱的概念。配位键。重要而常见的配合物的中心离子（原子）和重要而常见的配体（水、羟离子、卤离子、拟卤离子、氨分子、酸根离子、不饱和烃等）。螯合物及螯合效应。重要而常见的络合剂及其重要而常见的配合反应。配合反应与酸碱反应、沉淀反应、氧化还原反应的联系（定性说明）。配合物几何构型和异构现象基本概念。配合物的杂化轨道理论。面体配合物的晶体场理论。Ti(H2O)63+的颜色。第2页，共40页，编辑于2022年，星期三20062006第第77题题 （1111分）分）化合物化合物AA是近十年开始采用的锅炉水添

2、加剂。是近十年开始采用的锅炉水添加剂。AA的的相对分子质量相对分子质量90.1090.10，可形成无色晶体，能除去锅炉水中溶解氧，并可使锅炉壁钝化。，可形成无色晶体，能除去锅炉水中溶解氧，并可使锅炉壁钝化。7-1 7-1 AA是用碳酸二甲酯和一水合肼在是用碳酸二甲酯和一水合肼在7070ooCC下合成的，收率下合成的，收率80%80%。画出。画出AA的结构式。的结构式。7-2 7-2 写出合成写出合成AA的反应方程式。的反应方程式。7-3 7-3 低于低于135135ooCC时，时，AA直接与溶解氧反应，生成三种产物。写出化学方程式。直接与溶解氧反应，生成三种产物。写出化学方程式。7-4 7-4

3、 高于高于135135ooCC时，时，AA先发生水解，水解产物再与氧反应。写出化学方程式。先发生水解，水解产物再与氧反应。写出化学方程式。7-5 7-5 化合物化合物AA能使锅炉壁钝化是基于它能将氧化铁转化为致密的四氧化三铁。写出化学方程式。能使锅炉壁钝化是基于它能将氧化铁转化为致密的四氧化三铁。写出化学方程式。7-6 7-6 化合物化合物AA 与许多金属离子形成八面体配合物，例如与许多金属离子形成八面体配合物，例如 Mn(A)Mn(A)332+2+。结构分析证实该配。结构分析证实该配合物中的合物中的AA和游离态的和游离态的AA相比，分子中原本等长的两个键不再等长。画出这种配合物的结构简图相比

4、，分子中原本等长的两个键不再等长。画出这种配合物的结构简图（氢原子不需画出），讨论异构现象。（氢原子不需画出），讨论异构现象。案例分析案例分析1 1第3页，共40页，编辑于2022年，星期三第4页，共40页，编辑于2022年，星期三2004年年第第5题题 研究发现，钒与吡啶-2-甲酸根形成的单核配合物可增强胰岛素降糖作用，它是电中性分子，实验测得其氧的质量分数为25.7%,画出它的立体结构，指出中心原子的氧化态。要给出推理过程。M=311 O%=25.7%M=122案例分析案例分析2 2第5页，共40页，编辑于2022年，星期三2002年年第第5题题 六六配配位位（八八面面体体）单单核核配配合

5、合物物MA2(NO2)2呈呈电电中中性性；组组成成分分析结果：析结果：M 21.68%,N 31.04%,C 17.74%；配配体体A含含氮氮不不含含氧氧；配配体体(NO2)x 的的两两个个氮氮氧氧键不等长。键不等长。51。该配合物中心原子。该配合物中心原子M是什么元素？氧化态多大？给出推论过程。是什么元素？氧化态多大？给出推论过程。52。画出该配合物的结构示意图，给出推理过程。画出该配合物的结构示意图，给出推理过程。53。指出配体。指出配体(NO2)x在在“自由自由”状态下的几何构型和氮原子的杂化轨道。状态下的几何构型和氮原子的杂化轨道。54。除除本本例例外外，上上述述无无机机配配体体还还可

6、可能能以以什什么么方方式式和和中中心心原原子子配配位位？用用图图形形回答问题。回答问题。案例分析案例分析3 3第6页，共40页，编辑于2022年，星期三1999年第年第3题题 铬的化学丰富多采，实验结果常出人意料。将过量铬的化学丰富多采，实验结果常出人意料。将过量30%H2O2加加入入(NH4)2CrO4的氨水溶液的氨水溶液,热至热至50oC后冷至后冷至0oC，析出暗棕红色晶体，析出暗棕红色晶体A。元素分析。元素分析报告：报告：A含含Cr 31.1%，N 25.1%，H 5.4%。在极性溶剂中。在极性溶剂中A不导电。红外图不导电。红外图谱证实谱证实A 有有N-H键，且与游离氨分子键能相差不太大

7、，还证实键，且与游离氨分子键能相差不太大，还证实A 中的铬原子中的铬原子周围有周围有7个配位原子提供孤对电子与铬原子形成配位键，呈五角双锥构型。个配位原子提供孤对电子与铬原子形成配位键，呈五角双锥构型。3-1 以上信息表明以上信息表明A 的化学式为：的化学式为：；可能的结构式为：；可能的结构式为：。3-2 A 中铬的氧化数为：中铬的氧化数为：。3-3 预期预期A 最特征的化学性质为：最特征的化学性质为：。3-4 生成晶体生成晶体A的反应是氧化还原反应，方程式是：的反应是氧化还原反应，方程式是：。案例分析案例分析4 4第7页，共40页，编辑于2022年，星期三第8页，共40页，编辑于2022年，

8、星期三05初赛初赛（1）PtCl45H2O的结构为：的结构为：H2PtCl4(OH)2NH3+H2O=NH4+OH-Pt:Cl:OH=1:4:3生成两种配合物，且形成八面体生成两种配合物，且形成八面体Pt:Cl:OH=2:8:6其中两个其中两个OH会去中和氢离子，会去中和氢离子，8个个Cl与与4个个OH组合成两组合成两种配合物，只必有最常见的两种：种配合物，只必有最常见的两种：PtCl6和和PtCl2(OH)4（2）BaCl2PtCl4的结构为：的结构为：Ba2PtCl62Ba2PtCl6+5Ba(OH)2=2Ba PtCl(OH)5+5BaCl2案例分析案例分析5 5第9页，共40页，编辑于

9、2022年，星期三 要要点点：配配合合物物是是通通过过配配体体和和中中央央体体的的反反应应而而生生成成的的,配配位位原原子子具具有有孤孤对对电电子子,它它给给出出孤孤对对电电子子进进入入作作为为配配合合物物中中心心原原子子或或离离子子的的空空轨轨道道,为为了了接接受受这这些些电电子子对对,中中心心原原子子的的原原子子轨轨道道首首先先要要进进行行杂杂化化形形成成一一组组新新的的具具有有一一定定方方向向性性和和对对称称性性的的等等价价杂杂化化轨轨道道,再再与与配配体体的的给给予予体体轨轨道道重重叠叠形形成成 配配键键。如如果果中中心心原原子子还还有有合合适适的的孤孤对对电电子子,而而配配体体又又有

10、有合合适适的的空空轨轨道道,这这时时中中心心原原子子上上的的孤孤对对电电子子将将进进入配体空轨道从而形成反馈的入配体空轨道从而形成反馈的 配键配键。配合物价键理论配合物价键理论(VB(VB理论理论)第10页，共40页，编辑于2022年，星期三 其中n为配合物中的成单电子数,为配合物的磁矩。杂化轨道的类型决定分子构型杂化轨道的类型决定分子构型：根据配合物的磁矩可以计算配合物中成单的电子数并由此确定杂化轨道的类型：配 位 数 2 3 4 4 杂化轨道 sp sp2 sp3 dsp2分子构型 直线 三角形 正四面体 正方形配 位 数 5 5 6杂化轨道 sp3d d2sp2,d4s sp3d2,d2

11、sp3分子构型 三角双锥 四方锥 正八面体第11页，共40页，编辑于2022年，星期三以FeF63-和Fe(CN)63-的形成过程为例：d2sp3杂化CN-CN-CN-CN-CN-CN-F-F-F-F-F-F-sp3d2杂化高场强内轨型低自旋高稳定低场强外轨型高自旋低稳定Fe3+（3d54s04p04d0）第12页，共40页，编辑于2022年，星期三 例,实验测得Co(CN)63和CoF63均有正八面体的结构且磁矩分别为0和4.9 B.M.d2sp36CNCo(CN)63：在配位后,sp3d26FCoF63：在Co(CN)63中,Co3中心离子以d2sp3杂化轨道成键,配离子没有成单电子,显抗

12、磁性,为内轨型配合物(也叫共价型配合物)。在CoF63中,杂化轨道的类型为sp3d2,配离子有4个单电子,显顺磁性,为外轨型配合物(也叫电价配合物)。Co 3d74s2:Co3 3d6：第13页，共40页，编辑于2022年，星期三配合物晶体场理论配合物晶体场理论 晶晶体体场场理理论论是一种静静电电理理论论,它把配合物中中中心心原原子子与与配配体体之之间间的的相相互互作作用用,看作类类似似于于离离子子晶晶体体中中正正负负离离子子间间的的相相互互作作用用。但配配体体的的加加入入,使使得得中心原子五重简并的 d 轨道(见图)失去了简并性。在一定对称性的配体静电场作用下,五重简并的d轨轨道道将将解解除

13、除简简并并,分分裂裂为为两两组组或或更更多多的的能能级级组组,这种分裂将对配合物的性质产生重要影响。d 轨道示意图第14页，共40页，编辑于2022年，星期三d 轨道在正八面体场中的分裂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。在正八面体场中，轨道分裂情况如右图所示，其中o为晶体场分裂能。d轨道能级在Oh场中的分裂第15页，共40页，编辑于2022年，星期三d 轨道能级在不同配位场中的分裂第16页，共40页，编辑于2022年，星期三 (3)金属离子d轨道的主量子数 在同一副族不同过渡系的金属的对应配合物中,分裂能值随着d轨道主量子数的增加而增大。当由第一

14、过渡系到第二过渡系再到第三过渡系、分裂能依次递增4050%和2025%。这是由于4d轨道在空间的伸展较3d轨道远,5d轨道在空间的伸展又比4d轨道远,因而易受到配体场的强烈作用之故。分裂能分裂能:中心离子的d轨道的简并能级因配位场的影响而分裂成不同组能级之间的能量差。分裂能的大小与下列因素有关：(1)配位场亦即几何构型类型 如t(4/9)o (2)金属离子的电荷 中心金属离子电荷增加,值增加。这是由于随着金属离子的电荷的增加,金属离子的半径减小,因而配体更靠近金属离子,从而对 d 轨道产生的影响增大之故,三价离子的分裂能比二价离子要大4060%。分裂能和光谱化学序列分裂能和光谱化学序列第17页

15、，共40页，编辑于2022年，星期三(4)配体的本性 将一些常见配体按光谱实验测得的分裂能从小到大次序排列起来,便得光光谱化学序谱化学序：这个化学序代表了配位场的强度顺序。由此顺序可见,对同一金属离子,造成值最大的是CN离子,最小的是I离子,通常把CN、NO2等离子称作强场配位体强场配位体,I、Br、F离子称为弱场配位体弱场配位体。须指出的是,上述配体场强度顺序是纯静电理论所不能解释的。例如OH比H2O分子场强度弱,按静电的观点OH带了一个负电荷,H2O不带电荷,因而OH应该对中心金属离子的d轨道中的电子产生较大的影响作用,但实际上是OH的场强度反而低,显然这就很难纯粹用静电效应进行解释。这说

16、明了 d 轨道的分裂并非纯粹的静电效应轨道的分裂并非纯粹的静电效应,其中的共价因素也不可忽略。其中的共价因素也不可忽略。第18页，共40页，编辑于2022年，星期三 所谓成对能成对能是电子在配对时为了克服静电场的排斥作用所需的能量,通俗地讲就是使自旋成对的两个电子占据同一轨道所必须付出的能量,以P表示。对于一个处于配位场中的金属离子,其电子排布究竟采用高自旋,还是低自旋的状态,可以根据成对能和分裂能的相对大小来进行判断：当P时,因电子成对需要的能量高,电子将尽量以单电子排布分占不同的轨道,取高自旋状态高自旋状态；当P时,电子成对耗能较少,此时将取低自旋状态低自旋状态。根据P和的相对大小可以对配

17、合物的高、低自旋进行预言:在弱场时,由于值较小,配合物将取高自旋构型,相反,在强场时,由于值较大,配合物将取低自旋构型。对于四面体配合物,由于t(4/9)0,这样小的t值,通常都不能超过成对能值,所以四面体配合物通常都是高自旋的。第19页，共40页，编辑于2022年，星期三d5:d7:d6:d4:d1:d2:d3:d8:d9:d10:高自旋排布低自旋排布第20页，共40页，编辑于2022年，星期三例如,以过渡金属离子的水合焓为例 显然水合焓跟中心离子的d轨道处于配体H2O静电场有关。假定这种静电场由球形对称的静电场和正八面体对称的静电场两部分所组成。基于此,可以写出玻恩哈伯循环：Mm(g)H2

18、OM(H2O)6m(ag)hydHm(Mm,(t2gNegnN)hydHm(Mm,g)Mm(dn,g)H2O M(H2O)6m(ag)(t2gNegnN)M(H2O)6m(g)M(H2O)6m(ag)(dn,球形)得 hydHm(Mm,(t2gNegnN)6bHm(MmH2O,g)hydHm M(H2O)6m,(dn,球形)CFSE6bHm(MmH2O,g)hydHm(M(H2O)6m,g)CFSE 其中:6bHm(MmH2O,g)是配体与金属离子成键的能量变化;hydHmM(H2O)6m,g)是生成球形对称的M(H2O)6m(ag)的水合能;CFSE是正八面体静电场使d轨道分裂、d电子重新排

19、布时放出的能量.第21页，共40页，编辑于2022年，星期三 CFSE只占金属与配体总键能的一小部分(大约为510%),只有当别的因素大致不变时,它的关键作用才能表现出来。对于过渡金属离子,随原子序数的增加,有效核电荷增大,离子半径减小,键能和球形对称静电场水合能应该平稳地增加(负值增大),而CFSE部分应该有W形的变化规律,这两部分合起来就得到左图的形状。水合焓的变化规律正是CFSF随d电子数的变化规律的体现。类似地,可以讨论晶体场分裂在晶格能(右图)、离解能上的影响。第22页，共40页，编辑于2022年，星期三 中心金属离子具有对称性的价轨道有：3dxy、3dxz、3dyz 4px、4py

20、、4pz 金属离子与配位体除能生成键之外,如果配体中含有轨道,则还应考虑他们与具有成键能力的金属轨道的相互作用。配体有三种类型的轨道：1 垂直于金属配体键轴的p轨道。2 与金属d 轨道处于同一平面的配体的d轨道。3 与金属d 轨道处于同一平面的配体的*反键分子轨道 配体与金属组成的分子轨道示于下图。配合物中的配合物中的 键键第23页，共40页，编辑于2022年，星期三 NO2、CN、CO也可同金属形成反馈键。只是接受 电子的是配体的*反键分子轨道,。由于配体反键分子轨道接受电子，使配体的键级下降，配体被活化，容易发生相关的反应。合成氨反应，聚合反应等合成氨反应，聚合反应等合成氨反应，聚合反应等

21、合成氨反应，聚合反应等第24页，共40页，编辑于2022年，星期三红橙黄黄黄绿绿蓝 绿蓝蓝紫绿780650598580560500490480435380绿紫 红配合物的颜色配合物的颜色第25页，共40页，编辑于2022年，星期三第26页，共40页，编辑于2022年，星期三 配合物中心离子的电子光谱。这种光谱是由d电子在d电子组态衍生出来的能级间跃迁产生的,所以又称为dd跃迁光谱或电子光谱跃迁光谱或电子光谱。跃迁能量较小,一般出现在可见区,所以许多过渡金属配合物都有颜色。这种光谱有以下三个特点。一般包含一个或多个吸收带；强度比较弱,这是因为dd跃迁是光谱选律所禁阻之故；第27页，共40页，编辑

22、于2022年，星期三【例1】d7构型金属在正八面体场中，当o=22000cm-1及o=31500cm-1时，电子构型、磁矩和颜色分别应怎样？解：(n-1)d ns np nd(n-1)d ns np nd sp3d2杂化d2sp3杂化(n-1)d ns np nd低强场-外轨型-高自旋-低稳定-高活性高强场-内轨型-低自旋-高稳定-低活性如Co(CN)64-如Co(H2O)62+Co(NH3)62+Co(bipy)32+第28页，共40页，编辑于2022年，星期三表示一个配体对其反位上的基团的取代(或交换)速率的影响。四边形配合物的反位效应四边形配合物的反位效应 配位体可以按照它使反位离去基团

23、活化(即使其对取代反应敏感)的能力排成顺序。一些常见配体的反位效应顺序为：H2OOHFRNH2NH3pyClBrSCN I NO2C6H5SC(NH2)2CH3NO HPR3C2H4CNCO 第29页，共40页，编辑于2022年，星期三配合物的稳定性配合物的稳定性定量：配位过程的平衡常数可以用稳定常数(形成常数)K稳 或不稳定常数K不稳(离解常数Kdiss)来表示，K稳越大表明该配合物越稳定，且K稳=1/K不稳。定性：强场比弱场稳定反式比顺式稳定五、六元环稳定第30页，共40页，编辑于2022年，星期三配合物的异构现象配合物的异构现象配位化合物的异构现象1.结构异构：结构异构：原子间连接方式不

24、同引起的异构现象（键合异构，电离异构，水合异构，配位异构，配位位置异构配位体异构）(1)键合异构 Co(NO2)(NH3)5Cl2 硝基 Co(ONO)(NH3)5Cl2 亚硝酸根(2)电离异构 Co(SO4)(NH3)5Br Co Br(NH3)5(SO4)第31页，共40页，编辑于2022年，星期三(3)水合异构 Cr(H2O)6Cl3 紫色 CrCl(H2O)5Cl2 H2O 亮绿色 CrCl2(H2O)4Cl 2H2O 暗绿色(4)配位异构 Co(en)3Cr(ox)3 Cr(en)3Co(ox)32.立体异构立体异构 (1)空间几何异构(2)旋光异构第32页，共40页，编辑于2022

25、年，星期三第33页，共40页，编辑于2022年，星期三第34页，共40页，编辑于2022年，星期三1995年（全国）：由顺式年（全国）：由顺式Pt(NH3)2Cl2合成反式合成反式Pt(NH3)2(Met)2 H2OOHFRNH2NH3pyClBrSCN I NO2C6H5SC(NH2)2CH3NO HPR3C2H4CNCO 案例分析案例分析6 6第35页，共40页，编辑于2022年，星期三第36页，共40页，编辑于2022年，星期三今有化学式为Co(NH3)4BrCO3的八面体配合物。1画出全部异构体的立体结构。2指出区分它们的实验方法。案例分析案例分析7 7第37页，共40页，编辑于202

26、2年，星期三第38页，共40页，编辑于2022年，星期三CrCl3、金属铝和CO可在AlCl3的苯溶液中发生化学反应生成一种无色物质A，A又可和P(CH3)3反应，生成物质B，A还可和钠汞齐反应生成物质C，已知A、B、C的元素分析结果如下：Cr/P/C/A 23.63 32.75 B 19.39 11.55 35.83 C 21.84 25.23试写出：(1)结构简式A B C ；C:O=1:1，Cr(CO)6 有效原子序数（EAN）规则（18电子规则）：中心原子的价电子数与配位体提供的电子数应等于18：EANan(M)+2n(L)+2bCr(CO)6 EAN6+12=18Mn2(CO)10:EAN27+20+2b 38，b=1 案例分析案例分析8 8第39页，共40页，编辑于2022年，星期三吴星吴星第40页，共40页，编辑于2022年，星期三