Metallionen und Komplexbildung

Hallo und ganz Herzlich Willkommen. In diesem Video geht es um Metallionen und Komplexe. Du kennst Ionen, die Edelgasregel, Säuren und Basen nach Lewis, das Elektronenpaarabstoßungsmodell und das Modell der Hybridisierung. Nachher kannst du chemische Komplexe beschreiben. Du kennst ihre prinzipielle Struktur und du weißt, wofür sie verwendet werden. Im Video geht es um „Komplexverbindungen“. Komplexverbindungen werden abgekürzt auch „Komplexe“ genannt. Was sind Komplexe? Zunächst fällt einmal ihre große Farbigkeit auf. Sie werden für viele Dinge verwendet, z.B. als Filmblut. Sie halten grüne gekochte Bohnen frisch. Ohne Komplexverbindungen geht es in der Schwarz-Weiß-Fotografie nicht. Man benötigt Komplexe für die Wasserenthärtung. Komplexverbindungen sind auch bei der Weinveredelung beteiligt. Welche Metallionen bilden Komplexe? Gute Komplexbildner sind die Metallionen der Nebengruppen. Hier einige Beispiele: Kupfer liefert Cu²⁺, Silber gibt das Silber-Ion Ag⁺ und aus Gold entsteht Au³⁺. Auch die Ionen des Eisens, Cobalts und Nickels sind gute Komplexbildner. Und hier noch drei edle Metalle, die Komplexe bilden: Ruthenium, Platin und Iridium. Seltener bilden die Metallionen der Hauptgruppen Komplexe. Aber auch hier gibt es Beispiele. Es gibt Komplexe der Blei-Ionen und des Aluminium-Ions. Betrachten wir nun den Aufbau von Komplexen. Gelbes Nickel(II)-Chlorid wird in Wasser aufgelöst. Scheinbar keine chemische Reaktion. Das Salz löst sich auf und es bilden sich Nickel zwei Ionen und Chlorid Ionen und auf einmal wird die Lösung grün. Woher kommt das? Unter Beteiligung des Nickel(II)-Ions hat sich ein Aggregat gebildet. Ein solches Aggregat bezeichnet man als Komplexverbindung oder Kurzkomplex. Die rote Kugel im Zentrum symbolisiert das Nickel(II)-Ion. Die schwarzen Kugeln darum stellen Wassermoleküle dar. Uns interessieren natürlich Struktur und Bindung solcher Komplexe. Das Nickel(II)-Ion nennt man „Zentralatom“. Die es umhüllenden Wassermoleküle bezeichnet man als „Liganden“. Der dargestellte Komplex hat die Koordinationszahl sechs. Das Zentralatom wird von sechs einzähnigen Liganden umschlossen. „Zähnig“ ist als Bindung zu verstehen. Als Zentralatom kommen verschiedene Metallionen in Frage. Wie die Ionen des Eisens, Chroms, Nickels, Kobalts oder Aluminiums. Liganden können verschiedene geladene oder ungeladene Teilchen sein, wie Wassermoleküle, Kohlenstoffmonoxid Moleküle, Cyanid-Ionen, Fluorid-Ionen, Chlorid-Ionen oder Iodid-Ionen. Außer der hier dargestellten Struktur sind noch andere Strukturen möglich. Dieser Komplex hat die Struktur eines Oktaeders. In der chemischen Sprache stellt man den Nickelkomplex so dar: [Ni(H₂O)₆]²⁺. Ni ist das Zentralatom. (H₂O)₆ sind die sechs Liganden. Die Sechs ist die Koordinationszahl. 2+ ist die Ladung des Ions. Der korrekte Name dieses komplexen Ions lautet Hexamminnickel (II)-Ion. Einige wichtige Liganden werden korrekt so genannt: H₂O aqua. OH- hydroxo. CN- cyanido. NH₃ ammin. CO carbonyl. F^- fluorido. Wie wird nun die Bindung im Komplex realisiert? Das Zentralatom ist das Nickel-Ion. Es interagiert mit den Wassermolekülen, und zwar mit einem ungepaarten Elektronenpaar. Das Nickel zwei Ion ist hier eine Lewis-Säure, das Wassermolekül eine Lewis-Base. Es ist ein „Donator“ eines Elektronenpaares. Das Nickel-Ion ist der „Akzeptor“ dieses Elektronenpaares. Merke: Liganden in Komplexverbindungen verfügen stets über ein freies Elektronenpaar. Für die Bildung von Komplexen gibt es einige Modelle und Regeln. Beginnen wir mit der Edelgasregel. Für manche Komplexe wird sie erfüllt. Das Zentralatom ist ein Zn2+-Ion. Die Liganden sind Chlorid-Ionen. Ich zeichne alle Elektronenpaare nach Lewis. Die komplexe Struktur wird von einer eckigen Klammer eingeschlossen. Das Komplex-Ion ist zweifach negativ geladen. Das zentrale Zink-Ion hat 28 Elektronen. Viermal zwei Ionen bringen die Chlorid-Ionen in den Komplex ein. Das zentrale Zink-Ion besitzt nun 36 Elektronen. Es wurde zu einer Krypton-Struktur aufgefüllt. Das heißt, das System ist stabil. Nehmen wir ein weiteres Beispiel. Das Hexacyanidoferrat(II)-Ion. Anionen und Kationen werden etwas verschieden genannt. Das Eisen(II)-Ion im Zentrum hat 24 Elektronen. Dazu kommen die sechsmal zwei freien Elektronen der Cyanid-Ionen. Das macht zusammen 36 Elektronen und eine Krypton-Elektronen-Struktur ist erreicht. Betrachten wir nun noch das Hexacyanidoferrat(III)-Ion. Das Zentralatom hat die Ladung +3. Zusammen mit den sechsmal zwei Elektronen der Cyanid-Ionen erhalten wir 35 Elektronen. Die stabile Elektronenstruktur des Kryptonatoms wird nicht erreicht. Kommen wir nun zum Elektronenpaarabstoßungsmodell und dem Modell der Hybridisierung. Ich gehe davon aus, dass ihr beide Modelle hinreichend gut kennt. Mit ihrer Hilfe kann man die verschiedenen komplexen Strukturen besser erklären und verstehen. Die dargestellten Komplexe unterscheiden sich durch die Koordinationszahlen zwei, drei, vier und sechs. Werden wir nun etwas konkreter. Die erste Struktur ist linear, das ist energetisch am günstigsten. Koordinationszahl Zwei. Ein Beispiel ist ein Komplex aus einem Silber-Ion und zwei Cyanid-Ionen. Im nächsten Beispiel liegen die Liganden auf den Eckpunkten eines gleichseitigen Dreiecks. Die Abstoßung der Elektronenpaare ist hier minimal. Koordinationszahl: Drei. Die Struktur nennt man trigonal planar. Ein Beispiel ist [PbCl₃]^-. Und noch komplizierter, hier ist die Koordinationszahl vier. Die Liganden liegen auf den Eckpunkten eines Tetraeders. Die Struktur heißt tetraedrisch. Ein Beispiel ist [AlCl₄]^-. Das letzte Beispiel, Koordinationszahl sechs. Die Struktur ist oktaedrisch. Ein Beispiel ist da bereits besprochene Eisenhexacyanidoferrat(II)-Ion. Und nun erinnert euch an die organische Chemie und die Hybridisierung des Kohlenstoffatoms. Linear, zum Beispiel im Itin. Ja, SP. Im zweiten Fall entspricht die Hybridisierung des Zentralatoms der Hybridisierung des Kohlenstoffatoms im Ethen, SP². Tetraederstruktur weist auf SP³-Hybridisierung hin. Genau wie im Molekül des Betans. Oktaeder ist neu, daher sage ich es euch einfach so. Das Zentralatom hat eine SP³d²-Hybridisierung. Das war ein weiterer Film von André Otto. Ich wünsche euch alles Gute und viel Erfolg! Tschüss.