Komplexbildung - Chemie
Komplexbildung - Chemie
Komplexbildung - Chemie
Einleitung
Bei einer Komplexbildung ordnen sich Teilchen, die Liganden heißen, um ein Zentralteilchen an. Das Zentralteilchen ist häufig ein Ion eines Übergangsmetalls. Viele auffällige Farben von Metallsalzlösungen, der Sauerstofftransport durch Hämoglobin, der grüne Blattfarbstoff Chlorophyll und wichtige Analyseverfahren lassen sich mit der Komplexchemie erklären.
In diesem aiMOOC lernst Du den Aufbau von Komplexen, die koordinative Bindung, Koordinationszahlen, Chelatkomplexe, Gleichgewichte und typische Anwendungen kennen. Der Text ist auf den Chemieunterricht in der Schule ausgerichtet.
Das Bild zeigt eine Koordinationssphäre: Liganden liegen innerhalb der eckigen Klammer um das Zentralion, Gegenionen befinden sich außerhalb.
Lernziele
Du kannst nach der Bearbeitung:
- Komplexe in Zentralteilchen und Liganden zerlegen.
- die koordinative Bindung mit dem Lewis-Konzept erklären.
- Koordinationszahl und räumliche Gestalt einfacher Komplexe bestimmen.
- einzähnige und mehrzähnige Liganden unterscheiden.
- die Bedeutung von Komplexbildungsgleichgewichten, Farben und Anwendungen erläutern.
Input
Aufbau eines Komplexes
Ein Komplex besteht aus einem Zentralteilchen und den daran gebundenen Liganden. Das Zentralteilchen ist oft ein positiv geladenes Metallion, zum Beispiel Cu2+, Fe2+, Fe3+, Co3+ oder Ni2+.
Ein Ligand besitzt mindestens ein freies Elektronenpaar. Mit diesem Elektronenpaar kann er an das Zentralteilchen binden. Häufige Liganden sind Wasser H2O, Ammoniak NH3, Chlorid Cl− und Cyanid CN−.
Die innere Koordinationssphäre wird in eckige Klammern geschrieben. Bei [Cu(NH3)4]2+ ist Cu2+ das Zentralion und NH3 der Ligand. Die gesamte Klammer bildet ein Komplexion.
Merke: Die Ladung des Komplexes ergibt sich aus der Ladung des Zentralteilchens und den Ladungen aller Liganden.
Koordinative Bindung und Lewis-Konzept
Die Komplexbildung lässt sich als Lewis-Säure-Base-Reaktion verstehen. Das Zentralteilchen nimmt ein Elektronenpaar auf und wirkt als Lewis-Säure. Der Ligand stellt ein Elektronenpaar bereit und wirkt als Lewis-Base.
Bei der koordinativen Bindung stammen beide Bindungselektronen zunächst vom Liganden. Nach der Bildung ist diese Bindung eine chemische Bindung zwischen Ligand und Zentralteilchen.
Vereinfacht gilt für einen neutralen Liganden L:
Koordinationszahl und räumliche Gestalt
Die Koordinationszahl gibt an, wie viele Donoratome direkt an das Zentralteilchen gebunden sind. Sie ist nicht immer gleich der Anzahl der Liganden.
Häufige Anordnungen sind:
- Koordinationszahl zwei: meist linear.
- Koordinationszahl vier: häufig tetraedrisch oder quadratisch-planar.
- Koordinationszahl sechs: häufig oktaedrisch.
Beim Oktaeder liegen sechs Donoratome um das Zentrum.
Quadratisch-planare Komplexe sind besonders bei einigen Metallionen mit Koordinationszahl vier wichtig.
Zähnigkeit und Chelatkomplexe
Die Zähnigkeit beschreibt, über wie viele Donoratome ein einzelner Ligand bindet. Wasser und Ammoniak sind einzähnig. Ethylendiamin ist zweizähnig. EDTA kann über sechs Donoratome binden und ist daher sechszähnig.
Mehrzähnige Liganden können das Zentralteilchen wie eine Krebsschere umfassen. Dabei entstehen Ringe. Solche Verbindungen heißen Chelatkomplexe.
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EDTA bindet ein Metallion meist im Verhältnis eins zu eins. Obwohl nur ein EDTA-Ligand beteiligt ist, kann die Koordinationszahl sechs betragen.
Chelatkomplexe sind oft besonders stabil. Dieser Zusammenhang heißt Chelateffekt. Ein Grund ist, dass sich ein mehrzähniger Ligand an mehreren Stellen gleichzeitig festhält.
Komplexbildung als Gleichgewicht
Komplexe können entstehen und wieder zerfallen. Deshalb handelt es sich meist um ein chemisches Gleichgewicht. Vereinfacht gilt:
Eine vereinfachte Schreibweise für die Gesamtbildungskonstante lautet:
Eine große Bildungskonstante bedeutet, dass das Gleichgewicht stark auf der Seite des Komplexes liegt. Die tatsächliche Komplexbildung hängt zusätzlich von Konzentration, Temperatur, pH-Wert und konkurrierenden Liganden ab.
Gibt man einen Liganden im Überschuss hinzu, kann sich das Gleichgewicht nach dem Prinzip von Le Chatelier zur Komplexseite verschieben. Bei zu hohem pH-Wert kann jedoch auch ein schwer lösliches Metallhydroxid entstehen. Bei niedrigem pH-Wert können Liganden protoniert werden und schlechter binden.
Beispiel Kupfer und Ammoniak
Kupfer(II)-Ionen bilden in Wasser einen hellblauen Aquakomplex. Bei Zugabe von Ammoniak entsteht zunächst häufig ein Niederschlag von Kupfer(II)-hydroxid. Im Ammoniaküberschuss bildet sich eine tiefblaue Lösung. In vereinfachter Schulschreibweise wird das Komplexion oft als [Cu(NH3)4]2+ angegeben; in Wasser sind zusätzlich Wassermoleküle koordiniert.
Sicherheit: Versuche mit Kupfersalzen und Ammoniak gehören unter Aufsicht einer Lehrkraft durchgeführt. Schutzbrille, Gefahrstoffhinweise und fachgerechte Entsorgung sind erforderlich.
Warum sind viele Komplexe farbig?
Liganden beeinflussen die Energien der d-Orbitale eines Übergangsmetallions. Dadurch können bestimmte Wellenlängen des sichtbaren Lichts absorbiert werden. Das nicht absorbierte Licht bestimmt die wahrgenommene Farbe.
Die Farbe hängt unter anderem vom Metallion, seiner Oxidationsstufe, den Liganden und der räumlichen Gestalt ab. Deshalb kann ein Ligandenaustausch einen deutlichen Farbumschlag verursachen. Die Kristallfeld- und Ligandenfeldtheorie beschreibt diese Zusammenhänge genauer.
Kaliumhexacyanidoferrat(III) enthält das Komplexion [Fe(CN)6]3−. Seine Kristalle zeigen, dass Komplexverbindungen auch als feste Salze vorliegen können.
Isomerie bei Komplexen
Komplexe mit gleicher Zusammensetzung können unterschiedliche räumliche Anordnungen besitzen. Bei der cis-trans-Isomerie liegen gleiche Liganden entweder benachbart oder einander gegenüber.
Cisplatin ist ein quadratisch-planarer Platin-Komplex und wird als Arzneistoff gegen verschiedene Krebserkrankungen eingesetzt. Die räumliche Anordnung der Liganden ist für seine Wirkung entscheidend.
Bei oktaedrischen Komplexen kann außerdem eine faciale oder meridionale Anordnung auftreten.
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Die beiden Modelle zeigen die fac- und mer-Form eines oktaedrischen Cobaltkomplexes.
Komplexe in Natur, Technik und Medizin
Komplexbildung ist nicht nur ein Thema des Labors. Sie erfüllt zentrale Aufgaben in Natur und Technik.
- Hämoglobin enthält einen Eisenkomplex, der Sauerstoff reversibel binden kann.
- Chlorophyll enthält Magnesium in einem großen Ringsystem und ist für die Lichtaufnahme bei der Fotosynthese wichtig.
- Komplexometrie nutzt häufig EDTA zur Bestimmung von Metallionen, zum Beispiel bei der Wasserhärte.
- Metallkomplexe werden als Katalysatoren, Pigmente, Arzneistoffe und Werkstoffe eingesetzt.
- Chelatbildner können Metallionen binden; medizinische Anwendungen gehören ausschließlich in fachkundige Behandlung.
Im Häm des Hämoglobins sitzt ein Eisenion in einem ringförmigen Ligandensystem.
Chlorophyll a besitzt ein Magnesiumion als Zentrum eines großen Komplexes.
Das Video zeigt die Bestimmung der Wasserhärte durch eine Titration mit EDTA.
Kurze Einführung in die Benennung
Bei der systematischen Benennung werden zuerst die Liganden und danach das Zentralteilchen genannt. Zahlenvorsilben wie di-, tri-, tetra- und hexa- geben die Anzahl gleicher Liganden an. Die Oxidationszahl des Zentralatoms steht in römischen Zahlen.
[Cu(NH3)4]2+ heißt Tetraamminkupfer(II)-Ion. [Fe(CN)6]3− heißt Hexacyanidoferrat(III)-Ion. Bei anionischen Komplexen erhält der Metallname häufig die Endung -at.
Interaktive Aufgaben
Quiz: Teste Dein Wissen
Was ist ein Ligand in einem typischen Metallkomplex? (Ein Elektronenpaar-Donator) (!Ein Protonen-Donator ohne Elektronenpaar) (!Ein ungeladenes Gegenion außerhalb der Klammer) (!Ein Metallgitter im festen Zustand)
Was gibt die Koordinationszahl an? (Die Zahl der direkt gebundenen Donoratome) (!Die Zahl aller Atome im Komplex) (!Die Ladung des Zentralions) (!Die Zahl der Gegenionen)
Welche Rolle übernimmt das Zentralion bei einer typischen Komplexbildung nach Lewis? (Es wirkt als Elektronenpaar-Akzeptor) (!Es wirkt immer als Protonen-Donator) (!Es liefert immer beide Bindungselektronen) (!Es ist stets elektrisch neutral)
Welche Aussage über EDTA ist richtig? (EDTA kann als sechszähniger Chelatligand binden) (!EDTA ist immer ein einzähniger Ligand) (!EDTA kann keine Metallionen binden) (!EDTA ist ein Übergangsmetall)
Welche Geometrie ist bei Koordinationszahl sechs besonders häufig? (Oktaedrisch) (!Linear) (!Gewinkelt) (!Trigonal-planar)
Warum sind viele Übergangsmetallkomplexe farbig? (Sie absorbieren bestimmte Wellenlängen des sichtbaren Lichts) (!Sie senden ohne Energiezufuhr immer weißes Licht aus) (!Alle Liganden sind von Natur aus schwarz) (!Ihre Farbe entsteht nur durch Gegenionen)
Wo stehen Gegenionen in einer Komplexformel normalerweise? (Außerhalb der eckigen Klammer) (!Im Index des Zentralatoms) (!Anstelle des Zentralions) (!Immer innerhalb runder Klammern)
Was bedeutet eine große Komplexbildungskonstante? (Das Gleichgewicht liegt stark auf der Komplexseite) (!Der Komplex zerfällt vollständig) (!Es können keine Liganden binden) (!Die Reaktion ist immer explosionsartig)
Welches Metallion ist im Häm des Hämoglobins zentral? (Eisen) (!Natrium) (!Calcium) (!Silicium)
Was beschreibt die cis-trans-Isomerie bei Komplexen? (Unterschiedliche räumliche Anordnungen gleicher Liganden) (!Unterschiedliche Protonenzahlen des Zentralatoms) (!Den Wechsel vom festen in den gasförmigen Zustand) (!Die Bildung eines Metallgitters)
Memory
| Zentralion | Elektronenpaar-Akzeptor |
| Ligand | Elektronenpaar-Donator |
| Koordinationszahl | Anzahl direkt gebundener Donoratome |
| Chelat | Ringförmige Mehrfachbindung eines Liganden |
| EDTA | Sechszähniger Komplexbildner |
| Oktaeder | Häufige Gestalt bei Koordinationszahl sechs |
Drag and Drop
| Ordne die richtigen Begriffe zu. | Bedeutung |
|---|---|
| Zentralteilchen | Bindungszentrum eines Komplexes |
| Ammoniak | Einzähniger Ligand |
| Ethylendiamin | Zweizähniger Ligand |
| EDTA | Sechszähniger Chelatbildner |
| Koordinationszahl | Anzahl der gebundenen Donoratome |
...
Kreuzworträtsel
| Zentralion | Wie heißt das Teilchen im Zentrum eines typischen Metallkomplexes? |
| Ligand | Wie heißt ein Teilchen, das ein Elektronenpaar zur Bindung bereitstellt? |
| Chelator | Wie nennt man einen mehrzähnigen Komplexbildner? |
| Donator | Welche Rolle hat ein Ligand im Lewis-Konzept? |
| Oktaeder | Welche räumliche Gestalt ist bei Koordinationszahl sechs häufig? |
| Gleichgewicht | Welcher Zustand stellt sich bei umkehrbarer Komplexbildung ein? |
LearningApps
Lückentext
Offene Aufgaben
Leicht
- Komplexchemie-Glossar: Gestalte ein Glossar mit zehn Schlüsselbegriffen und je einer eigenen Erklärung.
- Komplexmodell: Zeichne einen einfachen Komplex mit Zentralion, Liganden, Donoratomen und Gegenionen.
- Liganden-Karten: Erstelle Karten zu Wasser, Ammoniak, Chlorid, Ethylendiamin und EDTA und kennzeichne ihre Zähnigkeit.
- Komplexe im Alltag: Suche drei Beispiele für Komplexe in Natur oder Technik und fasse ihre Funktion in kurzen Steckbriefen zusammen.
Standard
- Kupfer-Ammoniak-Komplex: Werte eine von der Lehrkraft gezeigte Demonstration anhand von Beobachtung, Deutung und Reaktionsschema aus.
- Wasserhärte und EDTA: Erstelle ein Lernplakat zur Bestimmung der Wasserhärte durch komplexometrische Titration.
- Nomenklatur von Komplexen: Entwickle fünf Übungskarten, auf denen Formel und Name eines Komplexes einander zugeordnet werden.
- Erklärvideo Komplexbildung: Produziere ein kurzes Erklärvideo, das Zentralion, Ligand, Koordinationszahl und Chelateffekt an einem Modell zeigt.
Schwer
- Komplexgleichgewicht: Entwickle eine begründete Hypothese dazu, wie Ligandenüberschuss und pH-Wert ein Komplexgleichgewicht beeinflussen.
- Chelateffekt-Modell: Vergleiche einen mehrzähnigen Liganden mit mehreren einzähnigen Liganden und erkläre die unterschiedliche Stabilität.
- Bioanorganische Chemie: Vergleiche Hämoglobin und Chlorophyll hinsichtlich Zentralion, Ligandensystem und biologischer Funktion.
- Komplexe in Medizin und Umwelt: Führe ein Interview mit einer fachkundigen Person oder recherchiere seriöse Quellen und bewerte Nutzen und Risiken ausgewählter Chelatbildner.
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Lernkontrolle
- Struktur und Eigenschaft: Erkläre, weshalb zwei Komplexe mit demselben Metallion unterschiedliche Farben besitzen können.
- Koordinationszahl anwenden: Ein Ligand bindet über zwei Donoratome. Begründe, wie viele solcher Liganden für eine Koordinationszahl von sechs benötigt werden.
- Gleichgewicht übertragen: Sage voraus, wie sich die Zugabe eines starken Liganden im Überschuss auf einen vorhandenen Aquakomplex auswirkt, und begründe Deine Aussage.
- Chelateffekt beurteilen: Vergleiche die zu erwartende Stabilität eines EDTA-Komplexes mit der eines Komplexes aus sechs voneinander unabhängigen einzähnigen Liganden.
- Isomerie und Wirkung: Erkläre am Beispiel von Cisplatin, warum die räumliche Anordnung von Liganden für Stoffeigenschaften wichtig sein kann.
- Alltagsproblem Wasserhärte: Entwickle ein Untersuchungskonzept, mit dem sich die Härte zweier Wasserproben mithilfe von Komplexbildung vergleichen lässt.
Lernnachweis
Für einen Lernnachweis solltest Du zeigen, dass Du:
- einen Komplex aus Formel oder Modell korrekt beschreiben kannst.
- Zentralteilchen, Liganden, Donoratome und Gegenionen sicher unterscheidest.
- Koordinationszahl und Zähnigkeit begründet bestimmst.
- Komplexbildung als Lewis-Säure-Base-Reaktion und Gleichgewicht erklärst.
- den Chelateffekt auf ein neues Beispiel überträgst.
- Farben, Isomerie und Anwendungen von Komplexen sachgerecht einordnest.
- Sicherheits- und Entsorgungsregeln bei schulischen Experimenten beachtest.
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