Комплексы и растворимость — Неорганическая химия для олимпиад

Комплексы и растворимость

9 заданий

Лиганд растворяет осадок

При растворении галогенида серебра устанавливается равновесие \(\ce{AgX <=> Ag+ + X-}\). Константу этого равновесия называют произведением растворимости и обозначают \(K_s\). Если добавить лиганд — частицу, которая связывается с ионом серебра в комплекс, концентрация свободных ионов серебра уменьшится. Поэтому часть осадка растворится, чтобы восстановить равновесие.

Способность комплекса образовываться характеризуют константой устойчивости; для комплекса с двумя лигандами её обозначают \(\beta_2\). Константа суммарной реакции растворения равна произведению констант растворения осадка и образования комплекса:

\[\ce{AgX + 2L <=> [AgL2]+ + X-}\qquad K = K_s\beta_2\]

В таблице для каждого осадка и лиганда приведена константа суммарной реакции. В заголовках указаны константы устойчивости комплексов, а рядом с формулами осадков — произведения растворимости.

Осадок\(\ce{NH3}\) (\(\beta_2 = 1{,}6\cdot10^{7}\))\(\ce{S2O3^2-}\) (\(2{,}9\cdot10^{13}\))\(\ce{CN-}\) (\(1{,}3\cdot10^{21}\))
\(\ce{AgCl}\) (\(1{,}8\cdot10^{-10}\))\(3\cdot10^{-3}\) — растворяется в аммиаке\(5\cdot10^{3}\) — растворяется\(2\cdot10^{11}\) — растворяется
\(\ce{AgBr}\) (\(5\cdot10^{-13}\))\(8\cdot10^{-6}\) — растворяется плохо15 — растворяется\(7\cdot10^{8}\) — растворяется
\(\ce{AgI}\) (\(8\cdot10^{-17}\))\(10^{-9}\) — практически не растворяется\(2\cdot10^{-3}\) — растворяется слабо\(10^{5}\) — растворяется

Сама по себе константа \(K\) не определяет, сколько осадка растворится: важна и концентрация свободного лиганда, то есть лиганда, ещё не вошедшего в состав комплекса. Если эту концентрацию поддерживают постоянной и растворённое серебро находится преимущественно в комплексе, \(s^2/[\ce{L}]^2 = K\), откуда \(s = [\ce{L}]\sqrt{K_s\beta_2}\). Здесь \(s\) — молярная растворимость осадка.

Выбор лигандов согласуется с принципом жёстких и мягких кислот и оснований (ЖМКО): мягкий ион серебра прочно связывается с мягкими лигандами \(\ce{CN-}\), \(\ce{S2O3^2-}\), \(\ce{I-}\). Однако при выборе реагента нужно учитывать и произведение растворимости осадка.

scienceПодбор лиганда

  1. \(\ce{AgCl + 2NH3 -> [Ag(NH3)2]Cl}\) — хлорид серебра растворяется при образовании аммиачного комплекса.
  2. \(\ce{AgBr + 2Na2S2O3 -> Na3[Ag(S2O3)2] + NaBr}\) — бромид серебра растворяется в тиосульфате натрия, который используют в составе фиксажа.
  3. \(\ce{AgI + 2KCN -> K[Ag(CN)2] + KI}\) — иодид серебра растворяется при образовании цианидного комплекса.
  4. \(\ce{Ag2S}\) — сульфид серебра растворяется в цианиде слабо: \(K = K_s\beta_2^2 \approx 10^{-7}\); при цианировании серебряных руд растворению помогает кислород, окисляющий сульфид.

auto_awesomeПоследовательное разделение галогенидов серебра

В классической схеме разделения смесь осадков сначала обрабатывают раствором аммиака: растворяется хлорид серебра. Затем тиосульфатом растворяют бромид серебра, а иодид остаётся в осадке. На каждом следующем этапе используют более мягкий лиганд, образующий с ионом серебра более устойчивый комплекс.

Гидроксокомплексы и растворимость в щелочах

Некоторые гидроксиды растворяются и в кислотах, и в щелочах; такие гидроксиды называют амфотерными. В щелочном растворе гидроксид-ион связывает катион металла в гидроксокомплекс. Например, для гидроксида цинка:

\[\ce{Zn(OH)2 (тв) + 2OH- <=> [Zn(OH)4]^2-}\qquad K = K_s\beta_4\]

Если при высоком pH растворённый цинк находится преимущественно в составе гидроксокомплекса, его растворимость равна \(K[\ce{OH-}]^2\). При повышении pH на единицу концентрация гидроксид-ионов возрастает в десять раз, а растворимость — в 100 раз. При низком pH гидроксид растворяется как основание, и его растворимость выражается формулой \(s = K_s/[\ce{OH-}]^2\). Следовательно, между областями низкого и высокого pH находится минимум растворимости.

edit_noteЦинк в щёлочи

Если \(K = 5\), при pH 12 расчёт даёт \(s = 5\cdot10^{-4}\) М, а при pH 13 растворимость составляет 0,05 М. При поддержании концентрации свободных гидроксид-ионов на уровне 1 М та же формула предсказывает несколько моль на литр. Однако в растворе, приготовленном из 1 М щёлочи, гидроксид-ионы расходуются при образовании комплекса. Поэтому утверждать, что любая взятая масса гидроксида растворится полностью, нельзя.

scienceГидроксокомплексы

  1. \(\ce{Zn(OH)2 + 2NaOH -> Na2[Zn(OH)4]}\) — гидроксид цинка образует гидроксокомплекс в щёлочи.
  2. \(\ce{Pb(OH)2 + 2NaOH -> Na2[Pb(OH)4]}\) — гидроксид свинца образует комплекс, называемый плюмбитом.
  3. \(\ce{Cr(OH)3 + 3NaOH -> Na3[Cr(OH)6]}\) — гидроксид хрома образует комплекс, называемый хромитом.
  4. \(\ce{Cu(OH)2 + 2NaOH (конц) -> Na2[Cu(OH)4]}\) — гидроксид меди растворяется лишь в очень концентрированной щёлочи с образованием синего раствора.

boltАмфотерность и образование комплексов

С точки зрения координационной химии растворение амфотерного гидроксида в щёлочи — это образование гидроксокомплекса, а не отщепление протона от гидроксида. Поэтому амфотерны гидроксиды тех металлов, которые прочно связывают гидроксид-ионы в комплексы. Такие комплексы образуют гидроксиды \(\ce{Al}\), \(\ce{Zn}\), \(\ce{Be}\), \(\ce{Sn}\), \(\ce{Pb}\), \(\ce{Cr(III)}\), \(\ce{Ga}\).

Выбор реагента: сводим всё вместе

Для растворения осадка нужно уменьшить концентрацию одного из ионов, находящихся в равновесии с ним. Лиганд связывает катион в комплекс; кислота или окислитель может связывать либо превращать анион. Иногда реагент действует обоими способами. Поэтому выбор реагента начинают с выяснения того, какой ион можно вывести из равновесия растворения.

ОсадокРеагентПричина растворения
\(\ce{AgCl}\)\(\ce{NH3}\)Ион серебра образует комплекс \(\ce{[Ag(NH3)2]+}\).
\(\ce{Cu(OH)2}\)\(\ce{NH3}\), кислотаАммиак связывает ион меди в комплекс, а кислота протонирует гидроксид-ионы.
\(\ce{HgI2}\)\(\ce{KI}\)Ион ртути образует комплекс \(\ce{[HgI4]^2-}\).
\(\ce{Al(OH)3}\)\(\ce{NaOH}\), кислотаВ щёлочи образуется гидроксокомплекс, а кислота протонирует гидроксид-ионы.
\(\ce{HgS}\)царская водкаСульфид окисляется, а ион ртути образует комплекс \(\ce{[HgCl4]^2-}\).
\(\ce{PbSO4}\)ацетат аммонияАцетат-ионы связывают ионы свинца; образуется \(\ce{Pb(CH3COO)2}\).

auto_awesomeРеактив Несслера

\(\ce{K2[HgI4]}\) в щелочном растворе при наличии даже малых количеств аммиака вызывает жёлто-бурую окраску или образование осадка. Юлиус Несслер предложил этот реактив в 1856 году; его до сих пор используют для обнаружения аммиака в воде.

scienceРастворение за счёт комплексов

  1. \(\ce{HgI2 + 2KI -> K2[HgI4]}\) — красный осадок исчезает при образовании иодидного комплекса.
  2. \(\ce{PbSO4 + 2CH3COONH4 -> Pb(CH3COO)2 + (NH4)2SO4}\) — ацетат-ионы связывают ионы свинца, снижая их свободную концентрацию.
  3. \(\ce{Cu(OH)2 + 4NH3 -> [Cu(NH3)4](OH)2}\) — гидроксид меди растворяется при образовании аммиачного комплекса.
  4. \(\ce{AgCl + 2Na2S2O3 -> Na3[Ag(S2O3)2] + NaCl}\) — хлорид серебра растворяется при образовании тиосульфатного комплекса.

push_pinГлавное

Осадок \(\ce{MX}\) может растворяться в растворе лиганда \(\ce{L}\), поскольку образование комплекса уменьшает концентрацию свободного катиона; константа суммарной реакции равна \(K = K_s\beta_n\). Поэтому \(\ce{AgCl}\) растворяется в аммиаке (\(K = 3\cdot10^{-3}\)), \(\ce{AgBr}\) — в тиосульфате (\(K \approx 15\)), а \(\ce{AgI}\) — в цианиде (\(K \approx 10^5\)). Для \(\ce{AgX}\) при постоянной концентрации свободного лиганда и преобладании комплекса с двумя лигандами растворимость рассчитывают по формуле \(s = [\ce{L}]\sqrt{K_s\beta_2}\). Амфотерные гидроксиды растворяются в щелочах с образованием гидроксокомплексов; для \(\ce{Zn(OH)2}\) в описанных условиях растворимость выражается формулой \(s = K[\ce{OH-}]^2\). При выборе лиганда полезен принцип ЖМКО: мягкий ион \(\ce{Ag+}\) прочно связывается с мягкими лигандами \(\ce{CN-}\), \(\ce{S2O3^2-}\), \(\ce{I-}\).

Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.

Неорганическая химия для олимпиад · репетитор-кузьмин.рф
© 2026. Программа — авторская, по официальным комплектам ВсОШ, «Высшей пробы», «Ломоносова» и программе IChO; последовательность уроков и критерии перехода — методика курса.