Komplexe in der Natur

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1 Komplexe in der Natur Einige der für uns wichtigsten Biomoleküle beinhalten Komplexe: - Eisen-Komplex (Fe): Hämoglobin und Myoglobin - Magnesium-Komplex (Mg): Chlorophyll - Cobalt-Komplex (Co): Vitamin B12

2 Einstieg:Komplexe gegen Krebs

3 Komplexe i = 1 ; i 2 = 1

4 Verbindungen Die Chemie untersucht die Stoffe, welche die Welt aufbauen. Diese Stoffe lassen sich in Stoffklassen unterteilen. Die wichtigsten sind die Metalle, die Salze und die Moleküle Untersucht man die Verbindungen, welche natürlich oder chemisch hergestellt, stabil auf der Erde existieren, so lassen sich drei Bindungstypen unterscheiden: metallisch, ionisch, kovalent Welcher Bindungstyp vorliegt hängt davon ab, welche Elemente die Verbindung aufbauen. Es gibt dabei nur drei Möglichkeiten: Metall-Metall; Nichtmetall-Nichtmetall; Metall-Nichtmetall

5 me ΔE tallis N s che ink r C har t akt er metallisch Bindungsdreieck nkt r si t kte sink ara Ch ΔEN her isc tall me ste igt Atomverbände ionisch molekular

6 Bindungstypen

7 Zusammenfassung Bindungen 1. Metalle geben ihre überschüssigen Elektronen als Elektronengas frei --> Metallbindungen. 2. Metalle geben ihre überschüssigen Elektronen komplett an Nichtmetalle ab. Dabei entstehen Ionen, die ungleichnamig geladen sind und durch elektrostatische Kräfte ein Ionengitter bilden --> Ionenbindung (Salze). 3. Nichtmetalle erhalten zusätzliche Elektronen von Metalle (siehe 2.). 4. Nichtmetalle teilen sich Elektronen, um ihren Elektronenmangel zu beheben. Es entstehen gemeinsame Elektronenpaare --> Atombindung.

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9 Einstieg: Löslichkeit(sprodukt) Salze sind meist in Wasser löslich. Dabei werden Ionen aus dem Gitter entfernt. Die notwendige Energie (zur Überwindung der Gitterenergie) stammt aus der Hydratation der Ionen. Bei schwerlöslichen Salzen überwiegt die Gitterenergie die Hydratationsenergie bei weitem. In einer gesättigten Lösung liegt ein dynamisches Gleichgewicht zwischen Lösen und Kristallisieren vor. Das Produkt der Konzentrationen der dann noch in Lösung vorhandenen Ionen eines Salzes nennt man Löslichkeitsprodukt (c(k + ) x c(a - )).

10 Einstieg: Löslichkeit(sprodukt) II Viele Hydroxide sind schwerlöslich. Sie entstehen, wenn in einer Lösung die Konz. der OH - -Ionen das Löslichkeitsprodukt übersteigt. Dies kann durch Zugabe von Laugen (Hydroxid-Lösungen oder Ammoniak; NH 3 + H 2 O --> NH OH - ) passieren. Wie können diese Hydroxide gelöst werden? Durch Zugabe eines Komplexbildners (z.b. NH 3 ), welcher das Metallkation in einem (möglichst stabilen) Komplex bindet und damit die Konzentration freier Ionen unter das Löslichkeitsprodukt senkt.

11 Einstieg: Wasserenthärtung Bestimmte Ionen (Ca 2+ und Mg 2+ ) im Wasser beeinflussen dessen Geschmack und Verarbeitbarkeit. Wie können diese Ionen entfernt oder maskiert werden? - Fällung - Komplexierung: Na 12 [(AlO 2 ) 12 (SiO 2 ) 12 ] x 27H 2 O = Zeolith A - Ionentauscher: Pentanatriumtriphosphat (Na 5 P 3 O 10 ); Nitriloessigsäure (NTA); Ethylendiamintetraacetat (EDTA)

12 Einstieg: Löslichkeitsprodukt (Aufgabe) Ni(OH) 2 hat das Löslichkeitsprodukt K L = 3x10-17 mol 3 /l 3 -Notiere die Gleichung für den Lösevorgang von Ni(OH) 2. - Stelle das Massenwirkungsgesetz auf (MWG). - Wie gross ist die Konzentration an Ni 2+ -Ionen in einer gesättigten Lösung, wenn der ph-wert der Lösung 7 beträgt. - Wie viel einer 25% NH 3 -Lösung muss mindestens zugegeben werden, um das Salz komplett zu komplexieren, wenn 0,93g Nickelhydroxid in Wasser gegeben werden und Ni einen Tetraaminkomplex bildet?

13 Komplex- oder koordinative Bindung Bindungspartner: - Zentralion: meist Übergangsmetallion; warum? - Ligand: Anion oder Dipolmolekül: z.b. H 2 O, Cl -... mit freien Elektronenpaaren warum? Zur Erlangung eines stabilen Zustands (Auffüllen der unbesetzten Orbitale/ Aufenthaltsbereiche innerhalb einer Schale) wie? Anlagerung durch elektrostatische Anziehung (Ion-Ion oder Ion-Dipol) Durchdringung durch Auffüllen der unbesetzten Schalen Koordinationszahl: Anzahl der Liganden bzw. besetzen Ligandenplätze Art der Bindung: mehr oder weniger stabil; mehr oder weniger polar

14 Was wissen wir schon? - Komplexe sind Verbindungen aus Bestandteilen, die eigentlich schon stabil wären (Ionen, Moleküle). - Komplexe bestehen aus einem Zentralteilchen (meist Zentralion; meist Kation eines Übergangsmetalls) - Das Zentralion ist von Liganden umgeben, deren Zahl die Koordinationszahl (KZ) ist. - Die Liganden sind mehr oder weniger fest an das Zentralion gebunden, so dass dieses z.t. nicht mehr für andere Reaktionen zur Verfügung steht. - Die schwach gebundenen Liganden können gegen andere ausgetauscht werden. - Komplexe haben lange Namen :-)!

15 Einstieg: Fotografie Beim Belichten eines Films entstehen an den hellen Stellen zunächst Silberionen, die dann zu metallischem Silber reduziert werden. Das nicht belichtete Silberbromid wird aus dem Film herausgelöst. Die geschieht (wie im Praktikum) durch Komplexierung des schwerlöslichen Salzes mit Thiosulfationen. Erst dann darf der Film wieder ans Licht gelangen.

16 Namen von Komplexen Im ersten Komplexpraktikum kamen/kommen Komplexe mit folgenden Zentralionen vor: Cu 2+, Co 2+, Ni 2+, Ag +, Fe 3+. Als Liganden kamen/ kommen H 2 O, NH 3, Cl -, Br -, F -, I -, SCN -, S 2 O 3 2- vor. Die entstandenen/ entstehenden Komplexe besitzen die Koordinationszahlen 2, 4 und 6. Aufgabe: Was bedeutet das Wort Koordinationszahl? Wie wird die Anordnung jeweils genannt? Wie lauten die Silben für die verwendeten Liganden im Komplexnamen? Schreibe (entsprechend den Beispielen unten) die Formeln der Komplexe aus Co 2+ und Cl - (KZ:6), Ni 2+ und NH 3 (KZ:4), Ag + und S 2 O 3 2- (KZ:2) und Fe 3+ und SCN - (KZ:6) Lies das Gedicht zur Komplexnomenklatur und benenne die selbst geschriebenen, sowie die unten angegebenen Komplexe. K[Fe(CN) 6 ]; Na[Al(OH) 4 ]; [Ni(CN) 4 ]Cl 2 ; [Fe(CO) 5 ]; Ca[Cu(NH 3 ) 4 (H 2 O) 2 ]

17 Komplexnomenklatur 1. Ist der Komplex in einem Salz enthalten, so wird, wie bei normalen Salzen zunächst das Kation, dann das Anion benannt. 2. Innerhalb des Komplexes werden als erstes die Liganden benannt, wobei anionische vor neutralen Liganden stehen. Die Anzahl wird mit griechischen Zahlwörtern angegeben. 3. Ist der Komplex kationisch oder neutral, wird das Zentralteilchen mit seinem normalen Namen benannt, ist er anionisch erhält das Zentralteilchen seinen lateinischen Namen mit der Endung -at Bsp.: K[Fe(CN) 6 ]...Kalium-hexacyanoferrat Na[Al(OH) 4 ]...Natrium-tetrahydroxoaluminat [Ni(CN) 4 ]Cl 2...Tetracyanonickel-chlorid [Fe(CO) 5 ]...Pentacarbonyleisen

18 Einstieg: Cyanidlaugerei Gold und Königswasser Gewinnung von Gold: - Amalgamverfahren mit Quecksilber (sehr giftig!) - Bildung von Cyanokomplexen durch Zufügen von NaCN an der Luft zu gemahlenem Erz: 4 Au + 8 CN H 2 O + O 2 --> 4 [Au(CN) 2 ] OH - - Gewinnung des Gold durch Austausch des Zentralions: 2 [Au(CN) 2 ] - + Zn --> [Zn(CN) 4 ] Au

19 Wie reagieren Komplexe? - Ligandenaustausch und was noch? Wie sind Komplexe dreidimensional aufgebaut? Wann reagieren Komplexe? - Stabilität von Komplexen

20 Reaktionen von Komplexen - Aquakomplexe sind wenig stabil. Die Wassermoleküle sind nur schwach gebunden. - Die Liganden können durch andere ersetzt werden. - Bei diesen Ligandenaustauschreaktionen bleibt die Koordinationszahl oft erhalten (muss aber nicht). - Sind zwei Komplexe ähnlich stabil stellt sich ein konzentrationsabhängiges Gleichgewicht ein. [Cu(H 2 O) 6 ] 2+ + Cl - [CuCl(H 2 O) 5 ] + - Eine eher selten auftretende Reaktion ist der Austausch des Zentralteilchens.

21 Besprechung Praktikum I 1. Kupferkomplexe: Wasserfreies Kupfersulfat wird bei Wasserzugabe blau und erwärmt sich. CuSO 4 bindet Kristallwasser. Mit mehr Wasser bildet sich der Hexaaquakupfer-Komplex. Die Zugabe von Chloridionen (NaCl und HCl) führt zur Bildung des Hexachloro-Komplexes. Bei Zugabe von NH 3 bildet sich der stabile Tetraamin- Komplex, der durch Wasserzugabe nicht wieder aufgelöst werden kann (vgl. Chloro-Komplex). 2. Cobaltkomplexe: Cobaltchlorid in Wasser ergibt den Aqua-Komplex. Zugabe von Chloridionen ergibt den Chloro-Komplex, wobei die Menge an Cl - einen Einfluss hat (vgl. HCl und NaCl)

22 Besprechung Praktikum I 2. Cobaltkomplexe: Die Zugabe von Wasser zum Chloro-Komplex zeigt, dass dieser ebenfalls wenig stabil ist. Die beiden Komplexe stehen im GG, welches ebenfalls temperaturabhängig ist. 3. Cobaltkomplexe: Bei der Zugabe von NH 3 fällt zunächst grün-blaues Co(OH) 2 aus, welches sich bei weiterer Zugabe wieder auflöst (Komplexierung; brauner Komplex).

23 Besprechung Praktikum I 4. Eisenkomplexe: Beim Lösen von Eisenchlorid ergibt sich eine Mischung aus Aqua- und Chloro-Komplex beid mit der KZ 6 und gelblich. Die Zugabe von KSCN führt zur Bildung des tiefroten Thiocyanato-Komplexes (Nachweis von Eisenionen). Die Zugabe von NF führt zur Entfärbung der Lösung, wobei der stabilere Fluoro-Komplex entsteht, aber auch festes Eisenfluorid ausfällt. Eine erneute Zugabe von KSCN kann die Lösung nicht mehr rot färben. 5. Nickelkomplexe: Bei der Zugabe von NH 3 zur NiSO 4 -Lösung entsteht ebenfalls der Amminkomplex. Wird zu diesem Komplex der Hexaammincobalt-Komplex gegeben, so zeigt sich, dass Letztere stabiler ist, da die Lösung in braune umschlägt.

24 Besprechung Praktikum I 6. Silberkomplexe: - Der erste Schritt ist die Zugabe von Silbernitratlösung zu NaCl-Lösung. Es ergibt sich ein Niederschlag. Was ist passiert? Was fällt aus? Bei Zugabe von NH 3 löst sich der Niederschlag wieder auf. Stichwort: Komplexierung - Bei der Zugabe von KBr entstand wiederum ein Niederschlag. Das Silberion wurde aus dem schwachen Komplex entfernt. - Dieses Salz konnte durch Zugabe von Thiosulfat- Anionen erneut komplexiert werden. - Kaliumiodid, mit seinen I - -Anionen schaffte es wieder das Silber aus dem Komplex zu entfernen. Es entstand gelbliches, festes Silberiodid.

25 Einstieg: Glycinkupfer Im Praktikum habt einig von euch wunderbar blaues Glycinkupfer (ein neutraler Komplex) hergestellt. Glycin ist die einfachste Aminosäure, aus der die Eiweisse aufgebaut sind. Glycin-Komplexe mit anorganischen Matallionen werden in Tierfutter zur Versorgung mit Spurenelementen eingesetzt. Was ist der Vorteil zu Kupfersalzen?

26 Wie sind die Komplexe dreidimensional aufgebaut?

27 Struktur von Komplexen Das Entstehen von Aggregaten aus, an sich stabilen Ionen und Molekülen kann auf verschiedene Arten erklärt werden. + Eine einfache Erklärung wäre die der gegenseitigen Anziehung positiv und negativ geladener Ionen bzw. die Wechselwirkung eines Ions mit einem polaren Molekül. Dabei stellen die Liganden freie Elektronenpaare zur Verfügung und das Zentralteilchen nutzt diese zusätzlichen Elektronen zur Erreichung noch stabilerer Zustände. _ Auf Grund der gegenseitigen Abstossung der Liganden ergeben sich daraus ganz bestimmte räumliche Strukturen, die aus dem EPA-Modell abgeleitet werden können.