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Komplexchemie: Aufbau, Ladung und Bindung
Ein Komplex besteht aus einem Zentralteilchen und daran gebundenen Liganden. Die Liganden stellen freie Elektronenpaare für koordinative Bindungen bereit. Aus den Ladungen aller Bestandteile kannst du die Ladung des Komplexes und die Oxidationszahl des Zentralteilchens bestimmen.
Hake ab, was du schon kannst — und komm am Ende hierher zurück!
Wie ist ein Komplex aufgebaut?
Stell dir ein Metallion vor, das von mehreren Teilchen umgeben ist. Das Metallion bildet das Zentralteilchen. Die gebundenen Teilchen heißen Liganden.
Komplex
Ein Komplex ist ein zusammengesetztes Teilchen aus einem Zentralteilchen und daran koordinierten Liganden. Das Zentralteilchen ist meist ein Metallatom oder Metallion.
In der Formel steht die gesamte Koordinationseinheit in eckigen Klammern:
$$[M(L)_n]^q$$
Dabei bezeichnet $M$ das Zentralteilchen, $L$ einen Liganden, $n$ dessen Anzahl und $q$ die Gesamtladung.
Beispiele:
- In $[Ag(NH_3)_2]^+$ ist $Ag^+$ das Zentralteilchen. Die beiden $NH_3$-Moleküle sind Liganden.
- In $[Fe(CN)_6]^{4-}$ ist Eisen das Zentralteilchen. Sechs $CN^-$-Ionen sind Liganden.
- In $[Cr(H_2O)_6]^{3+}$ ist Chrom das Zentralteilchen. Sechs Wassermoleküle sind Liganden.
Wähle in jeder Lücke die passende Form und prüfe anschließend deine Antworten.
In $[Ag(NH_3)_2]^+$ ist Silber das . Die beiden Ammoniakmoleküle sind . Jeder Ammoniakligand stellt ein bereit. Das gesamte Komplexteilchen ist geladen.
Wie entsteht die koordinative Bindung?
Ein Ligand besitzt mindestens ein freies Elektronenpaar. Er stellt dieses Elektronenpaar für die Bindung bereit und wirkt als Elektronenpaardonator. Das Zentralteilchen nimmt das Elektronenpaar in einem geeigneten unbesetzten Orbital auf und wirkt als Elektronenpaarakzeptor.
Koordinative Bindung
Bei einer koordinativen Bindung stammen beide Bindungselektronen ursprünglich vom Liganden. Nach der Bindungsbildung gehört das Elektronenpaar zur Bindung zwischen Ligand und Zentralteilchen.
Eine einfache Komplexbildung ist:
$$Ag^+ + 2NH_3 \rightleftharpoons [Ag(NH_3)_2]^+$$
Die Stoff- und Ladungsbilanz stimmt: Auf beiden Seiten stehen ein Silberteilchen, zwei Ammoniakmoleküle und insgesamt eine positive Ladung.
Ligand spendet, Zentrum nimmt an: Der Ligand ist Elektronenpaardonator, das Zentralteilchen Elektronenpaarakzeptor.
Die Elektronen werden dabei nicht vollständig vom Liganden auf das Metall übertragen. Deshalb ist eine Komplexbildung nicht automatisch eine Redoxreaktion.
Wie bestimmst du Ladung und Oxidationszahl?
Für jede Koordinationseinheit gilt die Ladungsbilanz:
$$q(M)+\sum q(L)=q(\text{Komplex})$$
Die Gesamtladung steht außerhalb der eckigen Klammer. Die Oxidationszahl beschreibt dagegen die formale Oxidationsstufe des Zentralteilchens. Beide Größen sind nicht dasselbe.
Bestimme die Oxidationszahl von Eisen in $[Fe(CN)_6]^{4-}$.
- Setze für die unbekannte Oxidationszahl $x$ ein.
- Jeder der sechs Cyanidliganden hat die Ladung $-1$.
- Der gesamte Komplex hat die Ladung $-4$.
$$x+6\cdot(-1)=-4$$
$$x-6=-4$$
$$x=+2$$
Eisen besitzt in diesem Komplex die Oxidationszahl $+II$.
Bei neutralen Liganden wie $H_2O$ und $NH_3$ trägt jeder Ligand mit $0$ zur Ladungsbilanz bei. Daher besitzt Kupfer in $[Cu(NH_3)_4]^{2+}$ die Oxidationszahl $+II$.
Was verrät die Koordinationszahl?
Die Koordinationszahl ist die Zahl der Donoratome, die unmittelbar an das Zentralteilchen gebunden sind. Bei einzähnigen Liganden entspricht sie der Zahl der Liganden. Ein mehrzähniger Ligand kann dagegen über mehrere Donoratome gleichzeitig binden.
| Koordinationszahl | häufige Geometrie | Beispiel |
|---|---|---|
| 2 | linear | $[Ag(NH_3)_2]^+$ |
| 4 | tetraedrisch oder quadratisch-planar | $[NiCl_4]^{2-}$ oder $[Ni(CN)_4]^{2-}$ |
| 6 | oktaedrisch | $[Cr(H_2O)_6]^{3+}$ |
Die Koordinationszahl grenzt mögliche räumliche Formen ein. Bei Koordinationszahl 4 reicht sie allein aber nicht aus, um zwischen tetraedrischer und quadratisch-planarer Geometrie zu entscheiden.
Wie deutest du einen Farbwechsel?
Komplexbildung und Ligandenaustausch sind Gleichgewichtsreaktionen. Ändert sich die Konzentration eines Liganden, kann sich das Gleichgewicht verschieben und eine andere Komplexart vorherrschen.
Beim Kupfer(II)-System kann vereinfacht folgendes Gleichgewicht betrachtet werden:
$$[Cu(H_2O)_4]^{2+}+4Cl^- \rightleftharpoons [CuCl_4]^{2-}+4H_2O$$
- Bei niedriger Chloridkonzentration überwiegt der blaue Aquakomplex.
- Eine hohe Chloridkonzentration begünstigt den grünen Chloridokomplex.
Die Farbe ist eine Beobachtung. Die Deutung lautet: Chloridliganden ersetzen Wassermoleküle am Kupferzentrum. Verlässlich ist diese Zuordnung nur, wenn die Chloridkonzentration gezielt verändert und andere Bedingungen möglichst konstant gehalten werden.
Eine Farbänderung kann einen Ligandenaustausch anzeigen. Begründe sie mit der veränderten Ligandenart und der Verschiebung des Komplexgleichgewichts.
Welche Teilchen darfst du nicht verwechseln?
| Begriff | Kennzeichen | Beispiel |
|---|---|---|
| Komplexion | geladene Koordinationseinheit | $[Ag(NH_3)_2]^+$ |
| Molekül / neutrales Komplexteilchen | elektrisch ungeladene, abgegrenzte Koordinationseinheit | $[PtBr_2(NH_3)_2]$ |
| Ionengitter | regelmäßige Anordnung von Kationen und Anionen in einem festen Salz | $K_4[Fe(CN)_6]$ im festen Zustand |
| hydratisiertes Ion | Ion, das in Wasser von Wassermolekülen umgeben ist | ein gelöstes Kupfer(II)-Ion mit Wasserliganden |
Ein neutrales Komplexteilchen ist ein Molekül und trägt keine Gesamtladung. Ein Komplexion ist dagegen geladen und kann zusammen mit Gegenionen ein Salz bilden. In $K_4[Fe(CN)_6]$ gleichen vier $K^+$-Ionen die Ladung des Komplexions $[Fe(CN)_6]^{4-}$ aus. Erst das feste Salz bildet ein Ionengitter.
Ein hydratisiertes Metallion ist nicht bloß ein nacktes Ion neben Wasser: Wassermoleküle umgeben das Ion. Sind sie direkt koordiniert, lassen sie sich als Aqua-Liganden eines Komplexes beschreiben.
Karteikasten
Überlege zuerst selbst und drehe die Karte anschließend zum Prüfen um.
Alles auf einen Blick
- Komplexchemie
- Aufbau
- Zentralteilchen
- Liganden
- Bindung
- Elektronenpaardonator
- Elektronenpaarakzeptor
- Beschreibung
- Gesamtladung
- Oxidationszahl
- Koordinationszahl
- Veränderung
- Komplexbildung
- Ligandenaustausch
- Farbwechsel
- Aufbau
Abschluss-Check
Du beherrschst den Kernweg, wenn du bei einer unbekannten einfachen Komplexformel zuerst Zentralteilchen und Liganden markierst, dann die Ladungsbilanz aufstellst und schließlich Beobachtungen mit einer möglichen Komplexbildung oder einem Ligandenaustausch verbindest.