Portál PřF UK pro podporu výuky chemie na SŠ a ZŠ

Komplexní sloučeniny Co

Pomůcky

3 zkumavky, stojánek na zkumavky, kapátka

Chemikálie

roztok CoCl2∙6H2O (nebo CoSO4∙7H2O), zř. NH3, konc. NH3

Postup

Do 3 zkumavek nalijte asi 3 ml roztoku chloridu kobaltnatého. První zkumavku nechte jako srovnávací. Do druhé zkumavky přidejte asi 3 kapky zředěného roztoku amoniaku. Do třetí zkumavky nejprve přidejte 3 kapky zředěného roztoku amoniaku, následně přikapávejte koncentrovaný roztok amoniaku.
Roztok kobaltnaté soli má růžovou barvu. Po přidání zředěného roztoku amoniaku dochází ke vzniku sraženiny modré či modrozelené barvy. V nadbytku koncentrovaného roztoku amoniaku se sraženina hydroxidu kobaltnatého rozpouští, lze pozorovat tmavě zelené zbarvení, které ihned přechází v hnědé.

Princip

Reakcí Co2+ se zředěným roztokem amoniaku vzniká sraženina hydroxidu kobaltnatého. V nadbytku koncentrovaného roztoku amoniaku se sraženina hydroxidu kobaltnatého rozpouští, vzniká tmavě zelený roztok obsahující hexaamminkobaltnaté kationty. Tmavě zelený roztok se ihned mění v hnědý – změna zbarvení se způsobena oxidací CoII na CoIII, v roztoku se nachází hexaamminkobaltité kationty.



zjednodušeně: 

Rozšiřující vysvětlení:
Teorie krystalového pole (CFT, crystal field theory) předpokládá, že koordinační vazba je čistě elektrostatické přitahování mezi kladně nabitým centrálním atomem a ligandem, který nese vždy záporný náboj minimálně ve formě volného elektronového páru. Důsledkem této představy ligandů jako záporných nábojů je energetické rozštěpení původně degenerovaných d-orbitalů v elektrostatickém poli ligandů.
d-orbitaly jsou dvojího typu – axiální dz2 a dx2-y2 (orientovány ve směru souřadných os) a neaxiální dxy, dxz, dyz (směřují do prostoru mezi osy). Umístíme-li centrální ion doprostřed oktaedru, jehož vrcholy ležící na osách x, y a z tvoří záporně nabité ligandy, poté dva axiální (osové) d-orbitaly leží blíže k záporným nábojům ligandů než neaxiální (neosové) d-orbitaly. Energie axiálních d-orbitalů vzroste, protože je velmi náročné udržet elektron v blízkosti záporného náboje ligandů – pobyt elektronu v těchto axiálních d-orbitalech je obtížnější. Následně dojde k rozštěpení degenerovaných d-orbitalů na dvě energetické hladiny – vyšší energii budou mít orbitaly dz2 a dx2-y2 (označované jako eg), nižší energie poté odpovídá orbitalům dxy, dxz, dyz (označované jako t2g).
Energetický rozdíl mezi rozštěpenými orbitaly eg a t2g je tzv. síla ligandového pole Δ. Míra rozštěpení d-orbitalů, závisí na mnoha faktorech – mezi nejvýznamnější patří typ ligandu. Ligandy lze seřadit podle jejich účinku na štěpení d-orbitalů do tzv. spektrochemické řady: I < Br < Cl < NO3 < F < OH < H2O < NH3 < bipy << CO < CN. Ligandy na počátku řadu (halogenidy) rozštěpí d-orbitaly jen málo, ligandy na konci řady (CO, CN) štěpí d-orbitaly výrazně.
Rozštěpení d-orbitalů na dvě energetické hladiny v případě oktaedrického komplexu vlivem ligandů vede k přeskupení elektronů centrálního atomu v původních d-orbitalech. Tyto elektrony budou zaplňovat orbitaly s nižší energií v souladu s Hundovým pravidlem (nejprve se zaplní každý orbital jedním elektronem, teprve poté se párují). O umístění 4. a dalších elektronů rozhoduje poměr mezi dvěma energiemi – a to sílou ligandového pole a párovací energií. Síla ligandového pole je energie, kterou musí elektron překonat, aby zaplnil orbitaly eg. Párovací energie je energie vzájemného odpuzování dvou elektronů v jednom orbitalu. V případě, že párovací energie je menší než síla ligandového pole, 4. a další elektrony se přednostně spárují v orbitaech t2g (tzv. nízkospinové komplexy). Pokud je párovací energie větší než síla ligandového pole, poté 4. a další elektrony vstupují do orbitalů eg, přičemž také dodržují Hundovo pravidlo (tzv. vysokospinové komplexy).
Ligandy z levé strany spektrochemické řady štěpí nepatrně původní d-orbitaly, síla ligandového pole je malá, a proto vytváří spíše vysokospinové komplexy. Oproti tomu ligandy z pravé strany spektrochemické řady štěpí původní degenerované d-orbitaly výrazně, a proto poskytují spíše nízkospinové komplexy.

Co2+ s NH3 jako ligandem vytváří nízkospinové komplexy, NH3 štěpí d-orbitaly na eg a t2g, přičemž síla ligandového pole je větší než párovací energie. Elektronová konfigurace Co je 4s2 3d7; Co2+ 4s0 3d7 – což znamená, že se zaplní orbitaly t2g 6 elektrony, které se spárují, a 1 elektron zaplní orbitaly eg. V tomto případě může dojít k odejmutí 1 nespárovaného elektronu v orbitalech eg – dochází k oxidaci, a tedy i ke změně zbarvení ze zelené na hnědou. Elektronová konfigurace Co3+ potom je 4s0 3d6.

Využití

komplexotvorné reakce, pentely (dusík – sloučeniny: NH3), d-prvky (kobalt – komplexní sloučeniny)

Typ pokusu

demonstrační i laboratorní

Obecná bezpečnost

PLACEHOLDER PRO BEZPEČNOST

Vlastnosti látek

Chlorid kobaltnatý – nebezpečný, zdraví škodlivý při požití, může vyvolat alergickou kožní reakci, při vdechování může vyvolat příznaky alergie nebo astmatu nebo dýchací potíže, podezření na genetické poškození, může vyvolat rakovinu při vdechování, může poškodit reprodukční schopnost,  vysoce toxický pro vodní organismy, vysoce toxický pro vodní organismy, s dlouhodobými účinky.

dle GHS:    dle staršího značení:     

Síran kobaltnatý – nebezpečný, zdraví škodlivý při požití, může vyvolat alergickou kožní reakci, při vdechování může vyvolat příznaky alergie nebo astmatu nebo dýchací potíže , podezření na genetické poškození, může vyvolat rakovinu při vdechování, může poškodit reprodukční schopnost, vysoce toxický pro vodní organismy, vysoce toxický pro vodní organismy, s dlouhodobými účinky.

dle GHS:    dle staršího značení:     

Amoniak – nebezpečný, může způsobit podráždění dýchacích cest, způsobuje těžké poleptání kůže a poškození očí, vysoce toxický pro vodní organismy.

dle GHS:   dle staršího značení:     

Bezpečnost

s koncentrovaným roztokem NH3 pracujte v digestoři – NH3 (toxický, žíravý), CoCl2∙6H2O (toxický, karcinogenní), CoSO4∙7H2O (toxický, karcinogenní)

Čas

příprava – 5 minut, vlastní provedení – 5 minut

Tipy

– stačí přidat pár kapek zředěného roztoku amoniaku, sraženina vzniká prakticky ihned
– změna barvy ze zelené na hnědou taktéž probíhá okamžitě
– vysvětlení změny zbarvení roztoku – rozšiřující učivo, spíše do semináře ve 4. ročníku
– sraženina se v nadbytku zředěného roztoku NH3 nerozpustí, je potřeba přidat koncentrovaný roztok NH3

Postup

Video pro tento pokus je dostupné jen pro registrované učitele.