Anorganische Chemie für Biologen. Nadja Giesbrecht AK Prof. Dr. Thomas Bein Raum: E3.005 Tel: 089/

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1 Anorganische Chemie für Biologen Nadja Giesbrecht AK Prof. Dr. Thomas Bein Raum: E3.005 Tel: 089/

2 Inhalte Stöchiometrie chemisches Rechnen Chemisches Gleichgewicht Massenwirkungsgesetz Säure-Base-Theorie Komplexchemie Redox-Theorie Löslichkeitsgleichgewichte Anionen-Kationen-Nachweise Seminar Anorganische Chemie für Biologen 2

3 Rückblick Brønsted-Lowry-Theorie: Säuren sind Protonen-Donatoren, Basen sind Protonen-Akzeptoren Protonenabgabe Ac-H Ac - + H + Protonenaufnahme Lewis-Säure Lewis-Theorie: Säuren sind Elektronenpaar-Akzeptoren, Basen sind Elektronenpaar-Donatoren L + B S B Lewis-Base Seminar Anorganische Chemie für Biologen 3

4 Was sind Komplexe? Komplexchemie komplexe Chemie Ein Komplex ist ein Molekül oder Ion (=geladenes Molekül), in dem ein Zentralatom von einem oder mehreren Molekülen oder Ionen, den Liganden, umgeben ist, die an das Zentralatom gebunden sind. Ligand Zentralatom Seminar Anorganische Chemie für Biologen 4

5 Entdeckung der Komplexe CoCl 3 6 NH 3 CoCl 3 5 NH 3 CoCl 3 4 NH 3 CoCl 3 4 NH 3 Alfred Werner + AgNO 3 AgCl + NaOH Co(OH) 3 + NH 3 NH 3 NH 3 Co NH 3 NH 3 NH 3 NH 3 Cl 3 Nobelpreis 1913 Seminar Anorganische Chemie für Biologen 5

6 Bezeichnung von Komplexen Gegenion [Co (NH 3 ) 6 ] 3+ [ZL n ] m Z : Zentralatom L : Ligand n : Koordinationszahl m: Ladung Seminar Anorganische Chemie für Biologen 6

7 Bildung von Komplexen Säure/Base-Konzept von G. N. Lewis: Säuren sind Elektronenpaarakzeptoren Basen sind Elektronenpaardonatoren Z + L Z L Lewis-Säure Lewis-Base Komplex Seminar Anorganische Chemie für Biologen 7

8 Chelatkomplexe Die meisten Liganden können nur über ein Atom koordinieren: Beispiele: Cl - NH 3 H - C=O Die Zähnigkeit eines Liganden gibt an, über wieviele Atome er gleichzeitig koordiniert. Seminar Anorganische Chemie für Biologen 8

9 Chelatkomplexe Hat in einem Komplex mindestens ein Ligand eine Zähnigkeit > 1, spricht man von einem Chelatkomplex. EDTA M n+ Chelatkomplexe sind besonders stabil. [Ni(H 2 O) 6 ] NH 3 K = 1, [Ni(NH 3 ) 6 ] H 2 O [Ni(H 2 O) 6 ] en K = 6, [Ni(en) 3 ] H 2 O Seminar Anorganische Chemie für Biologen 9

10 Chelatkomplexe in biologischen Systemen Chlorophyll Häm Seminar Anorganische Chemie für Biologen 10

11 Nomenklatur von Komplexen 1. Fall: Kationische und neutrale Komplexe [CoCl(NH 3 ) 5 ]Br 2 Kation Anion (falls vorhanden) Pentaamminchloridocobalt(III) - bromid 5 NH 3 -Liganden 1 Cl - -Ligand Kobalt im Oxidationszustand +3 Liganden: - in alphabetischer Reihenfolge - an anionische Ligandennamen wird o angehängt (chlorido, hydroxido...) - neutrale und kationische werden namentlich nicht verändert Ausnahmen: H 2 O (aqua), NH 3 (ammin), CO (carbonyl), NO (nitrosyl) Seminar Anorganische Chemie für Biologen 11

12 Nomenklatur von Komplexen 2. Fall: Anionische und neutrale Komplexe Na 2 [MoOCl 4 ] Kation Anion Natrium - Tetrachloridooxidomolybdat(IV) 4 Cl - -Liganden Oxid, O 2- -Ligand Molybdän in der Oxidationsstufe +4 (-at) Es gelten die gleichen Regeln wie für Fall 1. Das Zentralion wird zum Schluss mit dem lateinischen Wortstamm (falls vorhanden) und der Endung at angegeben, z.b. ferrat (Fe), plumbat (Pb) Seminar Anorganische Chemie für Biologen 12

13 Nomenklatur von Komplexen 1. Name des Kations vor dem Namen des Anions angeben. 2. Liganden werden vor dem Metall genannt. Liganden werden in alphabetischer Reihenfolge aufgeführt. Präfixe zur Angabe der Anzahl der Liganden werden nicht berücksichtigt. 3. Die Namen anionischer Liganden enden auf den Buchstaben o, während die neutralen Liganden nur aus dem Namen des Moleküls bestehen (Ausnahmen beachten!) 4. Sollte mehr als ein Ligand eines bestimmten Typs vorliegen, werden zur Anzeige der Anzahl des jeweiligen Liganden griechische Präfixe (di-, tri-, tetra-, penta- und hexa-) verwendet. Wenn der Ligand selbst ein derartiges Präfix enthält (z.b. Ethylendiamin) werden alternative Präfixe verwendet (bis-, tris-, tetrakis-, pentakis-, hexakis-) und der Name des Liganden wird in Klammern geschrieben. 5. Wenn es sich bei dem Komplex um ein Anion handelt, wird dem Namen die Endung at angehängt. 6. Die Oxidationszahl des Metalls wird in römischen Zahlen hinter dem Namen des Metalls in Klammern angegeben. Seminar Anorganische Chemie für Biologen 13

14 Nomenklatur von Komplexen Häufige Liganden: Cl - chlorido H 2 O aqua Br - bromido NH 3 ammin I - iodido O 2- oxido OH - hydroxido SCN - thiocyanato S 2- sulfido NO - 2 nitrito SO 2-4 sulfato CO carbonyl SO 2-3 sulfito OCN - cyanato NO 3- nitrato CN - cyanido S 2 O 2-3 thiosulfato Seminar Anorganische Chemie für Biologen 14

15 Regeln zum Aufstellen von Komplexformeln 1. Kationen werden vor den Anionen angegeben. 2. Komplexe Ionen/Moleküle werden mit eckigen Klammern eingefasst. 3. Das Zentralatom wird zuerst angegeben. 4. Danach alle Liganden, wobei die Symbole nach Alphabet sortiert werden. (Ausnahme: Metalloxidkationen, z.b TiO 2+ ) 5. Moleküle und Molekülionen werden in runde Klammern gesetzt 6. Die Summe der Ladungen von Zentralatom und Liganden wird als Hochzahl nach der Klammer angegeben. Tetraammindiaquakupfer(II) [Cu(H 2 O) 2 (NH 3 ) 4 ] 2+ Seminar Anorganische Chemie für Biologen 15

16 PSE Seminar Anorganische Chemie für Biologen 16

17 Exkurs: Atomorbitale Im quantenmechanischen Atommodell besetzen die Elektronen eines Atoms verschiedene Orbitale, d.h. Zustände mit hoher Aufenthaltswahrscheinlichkeit und definierter Geometrie. s p d Seminar Anorganische Chemie für Biologen 17

18 Struktur von Komplexen Seminar Anorganische Chemie für Biologen 18

19 Ligandenfeldtheorie Bei Übergangsmetallen wechselwirken die d-orbitale der Valenzschale geometrieabhängig mit den Liganden Seminar Anorganische Chemie für Biologen 19

20 Oktaedrisches Ligandenfeld Energie Seminar Anorganische Chemie für Biologen 20

21 Ligandenfeldtheorie Hund sche Regel: Beim Auffüllen von Orbitalen gleicher Energie wird der Gesamtspin maximiert. Seminar Anorganische Chemie für Biologen 21

22 Größe der Ligandenfeldaufspaltung Die Größe der Aufspaltung hängt sowohl vom Zentralatom als auch von den Liganden ab. Seminar Anorganische Chemie für Biologen 22

23 Tetraedrisches Ligandenfeld Seminar Anorganische Chemie für Biologen 23

24 Tetraedrisches Ligandenfeld Seminar Anorganische Chemie für Biologen 24

25 Farbigkeit von Komplexen Seminar Anorganische Chemie für Biologen 25

26 Farbigkeit von Komplexen hv Seminar Anorganische Chemie für Biologen 26

27 Übung Benennen sie die Verbindung K 4 [Fe(CN) 6 ]. Welche d-elektronenkonfiguration hat das Eisenatom im Komplex? Kaliumhexacyanidoferrat(II) Eisen(II): 6 d-elektronen CN - erzeugt ein sehr starkes Ligandenfeld, daher bildet sich ein d 6 low-spin Komplex Seminar Anorganische Chemie für Biologen 27

28 Magnetismus bei Komplexverbindungen Ein Elektron besitzt einen Spin. Atome und Moleküle mit ungepaarten Elektronenspins verhalten sich wie kleine Magnete (para- oder ferromagnetisch). Sind alle Spins gepaart, wird diamagnetisches Verhalten beobachtet. diamagnetisch paramagnetisch ferromagnetisch Diamagnete werden durch Magnetfeld abgestoßen. Paramagnete werden durch Magnetfeld angezogen. Ferromagnete werden durch Magnetfeld selbst magnetisch (temporär oder permanent). Seminar Anorganische Chemie für Biologen 28