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Eigenschaften durch Komplexbindung von Metall-Ionen 06:47 min

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Transkript Eigenschaften durch Komplexbindung von Metall-Ionen

Guten Tag und herzlich willkommen. Dieser Film heißt “Eigenschaften durch Komplexbildung von Metall-Ionen”, das Video gehört zur Reihe „Metallkomplexe“. Als Vorkenntnisse solltest du solides Wissen über Metallkomplexe mitbringen. In den Videos zu dem Thema Metallkomplexe wirst du fündig. Ziel ist es, in diesem Video ein Verständnis der wichtigsten Eigenschaften von Metall-Komplexen zu erlangen. Das Video ist in vier Abschnitte untergliedert: Erstens: Farbe, Zweitens: Löslichkeit, Drittens: Redoxpotenzial und Viertens: Zusammenfassung. Erstens: Farbe. Wir haben bereits gelernt, dass Metallkomplexe in verschiedenen Farben vorkommen. Wenn wir bei Farbigkeit von Metallkomplexen reden, so müssen wir uns die Frage stellen, woher kommt die Farbigkeit? Nehmen wir an, wir verfügen über eine Lichtquelle, sei es Tageslicht oder anderes näherungsweise weißes Licht. Wir benötigen dieses Licht, um einen Stoff sehen zu können. Ein Teil des Lichtes wird vom Stoff absorbiert, der übrige Teil des Lichtes wird reflektiert. Der reflektierte Teil des Lichtes macht die Farbigkeit des Stoffes aus. Wichtig ist, sonst funktioniert es nicht, dass die Absorption im sichtbaren Bereich stattfindet. Somit haben wir ein einfaches Erklär-Schema: Im sichtbaren Bereich wird ein Teil des Lichtes absorbiert, der reflektierte Teil macht die Farbigkeit des Stoffes aus. Nehmen wir einige Beispiele: Welche Farbe reflektiert wird, wenn eine bestimmte absorbiert wird, erkennen wir am Farbkreis. Wenn im grünen Bereich absorbiert wird, so hat der Stoff rote Farbe, bei roter Absorption ist der Stoff grün. Wird blaues Licht absorbiert, so ist der Komplex gelb, bei gelber Absorption ist der Komplex blau. Wenn hellblaues Licht absorbiert wird, ist der Komplex orange. Grüne Absorption bedeutet lilane Farbe, lilafarbene Absorption bedeutet grüne Farbe. Ich denke, das Prinzip der Farbigkeit ist klar. Absorption und Reflexion stellen immer entgegengesetzte Seiten des Farbkreises dar. Zweitens: Löslichkeit. Ein Metall-Ion bildet bekanntlich mit Liganden einen Metallkomplex. Dadurch ist es mitunter möglich, dass die Löslichkeit des Metall-Ions stark zunimmt. Ein beeindruckendes Beispiel für die Verbesserung der Löslichkeit liefern die „Kronenether“. Drei wichtige Kronenether möchte ich mit ihrer Strukturformel anführen und das ist ihre Darstellung als Kugel-Stab-Modell. In der Darstellung unten rechts seht ihr sehr schön die Wirkungsweise der Kronenether: Der Kronenether hat ein Kalium-Ion völlig eingeschlossen, sozusagen „chelatisiert“. Der Kronenether 18-Krone-6 hat das Kalium-Ion völlig eingeschlossen, ein außerordentlich stabiler Komplex hat sich gebildet, man spricht vom „Chelateffekt“. Das hat direkte Auswirkung auf die Löslichkeit des Kaliumsalzes. Kaliumpermanganat, KMnO4, löst sich zum Beispiel in Dichlormethan, CH2Cl2, nach Zugabe von 18-Krone-6. Drittens: Redoxpotenzial. Betrachten wir einmal dieses komplexierte Cobalt(III)-Ion. Es handelt sich um das Hexammincobalt(III)-Ion. Es ist in der Lage, Elektronen aufzunehmen, man spricht von einer „Reduktion“. Der neu entstandene Komplex steht mit dem ursprünglich vorhandenen im Gleichgewicht, es handelt sich um das Hexammincobalt(II)-Ion. Das Redoxpotenzial dieser Reaktion beträgt E0 = +0,11 Volt. Die Reduktion, das heißt die Elektronenaufnahme, die Reaktion von links nach rechts, findet nur schwach statt. Wir haben bereits gelernt, dass Metallkomplexe zum Ligandenaustausch geneigt sind. Interessant ist, wie sich das Redoxverhalten verändert, wenn die Ammoniakmoleküle komplett gegen Wassermoleküle ausgetauscht werden. Der Aquakomplex des dreiwertigen Cobalt-Ions kann ein Elektron aufnehmen. Exakt heißt der Komplex Hexaaquacobalt(III)-Ion. Nach Aufnahme eines Elektrons bildet sich ein Cobalt-Komplex, in dem das Cobalt-Ion zwei positive Ladungen trägt, es handelt sich um das Hexaaquacobalt(II)-Ion. In diesem Fall ist das Redoxpotenzial viel höher, es beträgt +1,8 Volt. Die Reduktion, die Elektronenaufnahme, findet statt. Beim Hexaaqua-Komplex befindet sich Cobalt vorzugsweise in der Oxidationsstufe +2. Beim Hexamin-Komplex befindet sich Cobalt vorzugsweise in der Oxidationsstufe +3. Viertens: Zusammenfassung. Metallkomplexe zeigen, ausgelöst durch ihre Liganden, wichtige Eigenschaften. Die erste ist die Farbigkeit, das reflektierte Licht bestimmt die Farbigkeit des Komplexes. Liganden können die Löslichkeit verbessern. Bei der oben dargestellten Verbindung kommt es zum Chelateffekt, es handelt sich um einen Kronenether. In Metallkomplexen bestimmen die Liganden stark das Redoxpotenzial des entsprechenden Komplexes. Unter der Einwirkung von Luftsauerstoff wird der Hexamincobalt-Komplex oxidiert, der Hexaaquacobalt-Komplex verharrt jedoch in der reduzierten Oxidationsstufe, +2. Quantitativ wird das durch die verschiedenen Redoxpotenziale +0,11 Volt und +1,81 Volt ausgedrückt. Je höher der positive Wert, umso eher findet die Reduktion statt. Ich danke für die Aufmerksamkeit. Alles Gute, auf Wiedersehen!

Eigenschaften durch Komplexbindung von Metall-Ionen Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Eigenschaften durch Komplexbindung von Metall-Ionen kannst du es wiederholen und üben.

  • Nenne Eigenschaften des Metallions, die durch Komplexbildung beeinflusst werden.

    Tipps

    Welche Eigenschaften haben Salze allgemein und worauf können Komplexe Einfluss nehmen?

    Lösung

    Komplexe entstehen, wenn Ligandenmoleküle an ein Zentralteilchen koordinativ binden. Diese Verbindungen unterscheiden sich mitunter stark von den Salzen ohne Liganden.

    • Farbigkeit: Während ein Aquakomplex eines Kupfersalzes blass blau ist, wird die Lösung durch Zugabe von Ammoniak tief dunkelblau. Die Aqualiganden werden dabei gegen Amminliganden getauscht.
    • Löslichkeit: Schwerlösliche Salze, wie Silberchlorid, können durch Zugabe von Ammoniak in Lösung gehen. Der gebildete Amminkomplex ist im Gegensatz zum Salz gut löslich.
    • Redoxpotenzial: Cobalt(II)-Ionen in einem Aquakomplex lassen sich nur schwer oxidieren. Wird Ammoniak dazugegeben, lässt sich das Ion leichter zu Cobalt(III) oxidieren, da die Liganden das Redoxpotenzial herabsetzen.
    Liganden können also auf viele charakteristische Eigenschaften von Metallsalzen Einfluss nehmen.

  • Beschreibe den Einfluss der Komplexbildung auf das Redoxpotential.

    Tipps

    Lassen sich Ionen leichter oxidieren, wenn das Potenzial hoch ist oder wenn es niedrig ist?

    Lösung

    Cobaltionen liegen in Salzen in der Oxidationsstufe +II vor. Das Redoxpotenzial ist zu hoch, um es durch Luftsauerstoff oxidieren zu können. Wird nun allerdings Ammoniak dazugegeben, dann bildet sich ein Amminkomplex. Dabei komplexieren sechs Amminliganden das Cobaltion. Durch die Komplexbildung wird das Redoxpotenzial des Cobaltions herabgesetzt. Nun ist es schon möglich durch den Luftsauerstoff das Ion zu oxidieren. Im Amminkomplex liegt das Ion deshalb in der Oxidationsstufe +III vor.

    In Aquakomplexen liegt Cobalt also immer in der Oxidationsstufe +II und in Amminkomplexen in der Oxidationsstufe +III vor.

  • Erkläre die Rolle der Komplexbildung in der Schwarz-Weiß-Fotografie.

    Tipps

    Liganden können die Löslichkeit von Salzen beeinflussen.

    Lösung

    Die Filme und Fotopapiere in der Schwarz-Weiß-Fotografie sind mit lichtempfindlichem Silberbromid beschichtet. Durch die Belichtung und anschließende Entwicklung werden die Bereiche, auf die Sonnenlicht eingetroffen ist, schwarz. Es bildet sich elementares Silber. Um nun ein permanentes Foto zu erhalten, muss das so gewonnene Bild fixiert werden. Es muss nun also lichtunempfindlich werden. Um das zu gewährleisten, muss das überschüssige Silberbromid vom Foto entfernt werden. Da das Salz schwerlöslich ist, lässt sich das Salz nicht einfach im Wasserbad entfernen. Es wird daher Natriumthiosulfat dazugegeben. Das Thiosulfation ist ein guter Ligand und komplexiert das Silberion. Der entstehende Komplex ist nun leicht löslich und so kann das überschüssige Silbersalz mit Wasser abgewaschen werden.

  • Bestimme die Wellenlängen, in denen die folgenden Komplexe Licht absorbieren.

    Tipps

    Die absorbierte Wellenlänge ist in dem Licht, welches reflektiert wird, nicht mehr enthalten.

    Der Komplex erscheint in der Komplementärfarbe zu der Lichtfarbe, die absorbiert wird.

    Lösung

    Das sichtbare Licht besteht aus allen Lichtfarben und ergibt zusammen weißes Licht. Trifft nun das Licht auf einen Komplex, dann wird ein Teil des Lichtes zur Anregung von Elektronen im Komplex absorbiert. Dieser Teil des Lichtes fehlt dann also dem reflektierten Licht. Wird also die Energie vom blauen Licht zur Anregung benötigt, wird das Licht ohne den blauen Anteil reflektiert. Damit erscheint die Lösung des Komplexes in der Komplementärfarbe, also Gelb.

    Das sichtbare Licht liegt etwa zwischen 400 - 750 nm. Davor liegt das energiereichere ultraviolette Licht und dahinter das energieärmere infrarote Licht. Je höher also die Wellenlänge des Lichtes, desto energieärmer ist es.

  • Erkläre, wie Farbigkeit in Verbindungen zustande kommt.

    Tipps

    Das sichtbare Licht besteht aus einem Spektrum von Blau bis Rot. Gebrochen an einem Prisma, lassen sich die einzelnen Farben des Lichtes erkennen.

    Lösung

    Damit ein Molekül farbig erscheint, muss es eine bestimmte Wellenlänge aus dem sichtbaren Licht absorbieren. Der reflektierte Teil, also das sichtbare Licht ohne die absorbierte Wellenlänge, lässt das Molekül farbig erscheinen. Dabei ist die Farbe des Moleküls immer komplementär zu der Lichtfarbe, die absorbiert wurde. Die Farbe liegt also auf dem Farbkreis gegenüber der absorbierten Farbe.

    Wird nun das gesamte sichtbare Licht absorbiert, erscheint die Verbindung schwarz, wird alles reflektiert erscheint die Verbindung farblos.

  • Bestimme die Stoffe, die als Nässeindikator dienen können.

    Tipps

    Soll ein Stoff Nässe anzeigen, muss sich etwas durch die Reaktion mit Wasser ändern.

    Lösung

    Viele Salze haben eine charakteristische Farbe. Oft entsteht diese durch die Aquakomplexe der Metallionen. Die typischen Farben der Salze entstehen also durch die Reaktion mit Wasser. Im wasserfreien Zustand sehen viele Salze der Übergangsmetalle allerdings ganz anders aus.

    • $CuCl_2$ (wasserfrei) = rotbraun
    • $CoCl_2$ (wasserfrei) = blau
    • $FeCl_3$ (wasserfrei) = tief dunkelgrün
    • $CuSO_4$ (wasserfrei) = farblos
    Die Farben der wasserfreien Salze unterscheiden sich also enorm von den Farben der Salze mit Kristallwasser. Deshalb zeigen sie durch Farbänderung auch schon kleinste Spuren von Wasser an.

    Farblose Salze, die auch mit Hydratwasser farblos sind, wie Magnesiumoxid sind nicht geeignet, genauso Metalle, die nicht mit Wasser reagieren.