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Räumlicher Bau von Komplexen 08:14 min

Textversion des Videos

Transkript Räumlicher Bau von Komplexen

Hallo und herzlich willkommen zu Chemie.

Weißt du eigentlich warum Blut rot ist? Das liegt am roten Blutfarbstoff Hämoglobin. Es ist ein sogenannter KOMPLEX. Um Komplexe und ihren räumlichen Aufbau soll es in diesem Video gehen. Dafür habe ich das Thema unterteilt. Wir beginnen mit der Bedeutung von Komplexen für uns und unsere Umwelt. Danach sehen wir uns wiederholend den allgemeinen Aufbau an. Darüber kommen wir dann zur räumlichen Struktur und sehen uns etwas genauer Komplexe mit 2, 4 und 6 Liganden an. Es folgt die Stereoisomerie und zu guter letzt die Zusammenfassung.

Komplexe spielen eine große Rolle bei vielen biologischen Prozessen. Der rote Blutfarbstoff, Hämoglobin, ist ein Eisenkomplex. Er ist für den Sauerstofftransport in deinem Körper und allen Säugetieren verantwortlich. Dieser Komplex ist also überlebenswichtig. Ein weiterer enorm wichtiger Komplex ist das Chlorophyll. Es ist der grüne Farbstoff in Pflanzen. Er befähigt die Pflanze zur Fotosynthese. Erst dadurch gibt es auf unserer Erde überhaupt Sauerstoff in der Atmosphäre. Viele Enzyme sind Komplexe, sie wirken als Biokatalysatoren, zum Beispiel bei der Verdauung. Auch in der analytischen Chemie kommen sie zum Einsatz. Durch ihre leuchtenden Farben werden Komplexverbindung oft für Nachweisreaktionen genutzt. Du siehst Komplexe sind sehr wichtige Verbindungen. Wiederholen wir als erstes den allgemeinen Aufbau von Komplexen. Komplexe enthalten ein Zentralteilchen. Häufig sind dies Metall-Ionen. Wie zum Beispiel Silber-, Gold-, Kupfer und Eisen-Ionen. Diese Zentralteilchen sind von Liganden umgeben. Typische Liganden sind Ammoniak, Cyanid-Ionen, Chlorid-Ionen, Fluorid-Ionen, Wasser und Hydroxid-Ionen. Man schreibt Komplexe folgendermaßen: Als erstes das Zentralteilchen, hier Silber. Dann kommen die Liganden, Ammoniak in Klammern da es ein Molekül ist, und ihre Anzahl im Komplex. Das Ganze wird in eckige Klammern gesetzt. Zum Schluss schreibt man die Ladung an den Komplex. Da Ammoniak neutral ist und das Silber-Ion einfach positiv, ist auch der Komplex einfach positiv geladen. Soweit zum allgemeinen Aufbau. Wie sehen Komplexe denn nun räumlich aus. Das hängt stark von der Anzahl der Liganden ab. Die Anzahl der Donoratome des Liganden, die ans Zentralteilchen koordinieren, wird auch Koordinationszahl genannt. Sie bestimmt maßgeblich die geometrische Form, die auch Koordinationspolyeder genannt wird. Die häufigsten KZ sind 2, 4 und 6. Ausserdem hängt die Struktur vom Durchmesser und der Elektronenkonfiguration des Zentralteilchens ab. Auch der Raumbedarf der Liganden spielt hier eine Rolle. Du hast also gelernt, dass die Anzahl der Liganden die Struktur stark beeinflusst. Ich zeige dir nun welche bei den verschiedenen KZ möglich sind. Hat der Komplex 2 Liganden, ist er linear. Ein Beispiel ist der Diammin-Silber-Komplex. Bei 4 Liganden kann der Komplex quadratisch planar sein. Wie z.B. Tetraammin-Kupfer(II) oder Tetraedrisch. Dies ist der Fall bei Tetracyanido-Cuprat(I). Liegen im Komplex 6 Liganden vor, bildet sich eine oktaedrsiche Struktur. Ein Bsp hierfür ist das Hexacyanido-Ferrat(II).

Komplexe haben also vielfältige Strukturen. Sie weisen ausserdem Stereoisomerien auf. Dies bedeutet es gibt Verbindungen mit gleicher Chemischer Zusammensetzung und unterschiedlichem räumlichen Aufbau. Die Liganden sind also unterschiedlich angeordnet. Quadratisch planare Komplexe können eine cis/trans Isomerie aufweisen. Bei der cis-Form befinden sich die gleichen Liganden nebeneinander. Bei der trans-Form liegen sie sich gegenüber. Diese Form der Isomerie kommt auch in oktaedrischen Strukturen vor. Du siehst hier die cis-Form und hier die trans-Form. Bei tetraedrischen Strukturen ist eine cis/trans-Isomerie nicht möglich. Hier gibt es aber die Spiegelbild-Isomerie. Es verhalten sich 2 Verbindungen wie Bild und Spiegelbild. Besser zu verstehen ist es wenn du dir deine Hände ansiehst. Auch sie sind wie Bild und Spiegelbild. Egal wie du sie drehst und wendest, sie werden niemals identisch sein. Genauso ist es mit diesen 2 Komplexen. Sie haben gleiche physikalische Eigenschaften, aber haben eine unterschiedliche Wirkung auf polarisiertes Licht. Man spricht von optischer Aktivität.

Dieses Phänomen tritt auch bei oktaedrischen Komplexen auf. Häufig sieht man es bei Chelatkomplexen. Dies sind Komplexe mit Liganden die mehr als nur eine Bindung mit dem Zentralteilchen eingehen. Ein Beispiel dafür siehst du hier. EN steht für Ethylendiammin, es ist so ein mehrzähniger Ligand. Das waren jetzt jede Menge Informationen für dich. Die wichtigsten Punkte werde ich nun noch einmal zusammenfassen. Komplexe haben große Bedeutung in vielen biologischen Prozessen. Sie bestehen aus einem Zentralteilchen und Liganden, die dieses umgeben. Die häufigsten KZ sind: 2, 4 und 6. Die verschiedenen räumlichen Strukturen die bei Komplexen auftreten sind: linear, quadratisch planar, tetraedrisch und oktaedrisch. Bei Komplexen tritt Stereoisomerie auf. Zum einen die cis/trans-Isomerie und auch die Spiegelbild-Isomerie.

Vielen Dank für deine Aufmerksamkeit. Bis zum nächsten mal. Dein Mathias

Räumlicher Bau von Komplexen Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Räumlicher Bau von Komplexen kannst du es wiederholen und üben.

  • Beschreibe, was den räumlichen Bau von Komplexen bestimmt.

    Tipps

    Überlege dir bestimmte Molekülgeometrien und wodurch sie gebildet werden.

    Kann ein Komplex mit vier Liganden linear aufgebaut sein?

    Lösung

    Die Geometrie eines Komplexes hängt stark von der Anzahl der koordinierenden Donoratome ab. Donoratome sind diejenigen Atome, die Elektronen bereitstellen können, um die koordinative Bindung in einem Komplex erst zu ermöglichen. Dabei ist die Anzahl der Liganden nur zweitrangig, da an einigen Liganden, wie den Chelatliganden, auch mehrere Donoratome vorhanden sein können.

    Die Donoratome ordnen sich mit größtmöglichem Abstand zueinander an. Daher spielt auch der Raumbedarf von sehr großen und sperrigen Liganden eine Rolle. Die Elektronenkonfiguration des Zentralteilchens hat ebenfalls einen großen Einfluss auf die Geometrie.

  • Unterscheide die Bestandteile von Komplexen.

    Tipps

    Komplexe bestehen aus Lewis-Säuren und Lewis-Basen. Das Zentralteilchen ist die Lewis-Säure.

    Liganden sind Elektronendonatoren.

    Lösung

    Komplexverbindungen entstehen durch eine Säure-Base-Reaktion. Die Zentralteilchen sind dabei Lewis-Säuren und die Liganden Lewis-Basen.

    Lewis-Säuren sind dabei Elektronenakzeptoren. Das lässt sich besonders gut erkennen, wenn die Zentralteilchen positiv geladene Ionen sind. Aber auch Metallatome können auf Grund ihrer d-Orbitale Elektronen aufnehmen.

    Die Liganden sind Elektronendonatoren, also Lewis-Basen. Dazu gehören also negativ geladene Ionen, aber auch Moleküle wie Ammoniak oder Wasser, die freie Elektronenpaare am Stickstoff beziehungsweise am Sauerstoff besitzen.

  • Bestimme den räumlichen Aufbau zu folgenden Verbindungen.

    Tipps

    Zähle die Liganden am Zentralatom.

    Lösung

    Je nach Anzahl der Liganden ergeben sich unterschiedliche Molekülgeometrien. Grund ist, dass die Liganden Platz benötigen und sich daher so weit wie möglich von einander entfernt anordnen.

    Zwei Liganden ordnen sich daher genau auf den gegenüberliegenden Seiten an. Es bildet sich ein linearer Komplex.

    Sechs Liganden bilden eine oktaedrische Umgebung.

    Bei vier Liganden gibt es zwei Möglichkeiten. In einigen Fällen bildet sich ein Tetraeder, in anderen Fällen eine quadratisch planare Struktur. Das hängt unter anderem vom Raumbedarf der Liganden ab. $Cu(II)$-Zentren bevorzugen in der Regel eine quadratisch-planare Koordination. Da sich die Cyanido-Liganden aufgrund ihrer Ladung stark abstoßen, benötigen sie sehr viel Raum, und bilden daher in dem $Cu(I)$-Komplex $[Cu(CN)_4)]^{3-}$ eine tetraedrische Struktur.

  • Erkläre, warum EDTA (Ethylendiamintetraacetat) als Wasserenthärter verwendet werden kann.

    Tipps

    Komplexverbindungen sind oft gut wasserlöslich.

    Hartes Wasser hinterlässt oft Ablagerungen von Calciumcarbonat in Kochtöpfen.

    Lösung

    EDTA ist ein Ligand, der sechs Donoratome besitzt. Zum einen koordinieren die Stickstoffatome an das Metallion, aber auch ein Sauerstoffatom je Carboxygruppe koordiniert. Die Calcium- und Magnesiumionen, die für die Wasserhärte verantwortlich sind, werden so komplexiert und es bildet sich eine oktaedrische Komplexverbindung.

    Durch die Komplexierung werden die Ionen gehindert, schwerlösliche Salze wie Calciumcarbonat (Kalk) zu bilden, die dann Ablagerungen in der Waschmaschine verursachen würden. Anwendung findet EDTA deshalb unter anderem in Waschmitteln.

  • Formuliere die Formeln zu folgenden Komplexverbindungen.

    Tipps

    Die Vorsilbe verrät dir die Anzahl der Liganden.

    Die Liganden stehen in runden Klammern.

    Die Ladung des Komplexes ergibt sich aus der Oxidationszahl des Zentralteilchens und der Anzahl und Ladung der Liganden.

    Lösung

    Um den räumlichen Aufbau eines Komplexes bestimmen zu können, musst du zunächst die Formel richtig aufstellen können. Dabei ist die Nomenklatur ganz systematisch aufgebaut:

    • Anzahl der Liganden - Art der Liganden - Zentralteilchen - Oxidationsstufe des Zentralteilchens.
    Durch die Oxidationsstufe kannst du auch die Ladung des Komplexes ermitteln. Wenn Silber im Komplex die Oxidationszahl +1 hat, die Cyanidliganden aber jeweils einfach negativ geladen sind, ergibt sich daraus als Ladung für den Komplex: 1+2$\cdot$(-1) = -1.

  • Entscheide, ob die Komplexe in der cis- oder in der trans-Form vorliegen.

    Tipps

    Betrachte die Chlorid-Ionen und entscheide, ob sie sich gegenüberliegen oder nicht.

    Lösung

    Wenn in einem oktaedrischen oder einem quadratisch-planaren Komplex zwei verschiedene Liganden koordinieren, können sie das in unterschiedlicher Form tun. In $[Cr(CN)_4(Cl)_2]^{3-}$ können sich die Chloridoliganden gegenüberliegen, dann spricht man von der trans-Form. Befinden sie sich nebeneinander, spricht man von der cis-Form.

    Auch im quadratisch planaren $[Pt(CN)_2(Cl)_2]^{2-}$ können sich die Chloridoliganden gegenüberliegen und die trans-Form bilden. Oder aber sie liegen nebeneinander, dann bilden sie die cis-Form.