Aquakomplexe

Definition und räumlicher Aufbau

Aquakomplexe, auch Aquokomplexe genannt, sind Komplexverbindungen aus hydratisierten Metallionen. Sie besitzen eine festgelegte Anzahl von Wassermolekülen als Liganden; Liganden sind hier die an das Metallion gebundenen Wassermoleküle. Ihre allgemeine Formel lautet [M(H₂O)ₙ]ᶻ⁺. Zwischen Kation und Wassermolekülen besteht eine koordinative Bindung.

Viele Ionen der Übergangselemente bilden Aquakomplexe. Am häufigsten ist die Koordinationszahl 6, also die Zahl der gebundenen Liganden. Solche Hexaaquakomplexe haben die Formel [M(H₂O)₆]ᶻ⁺; die sechs Wassermoleküle sind oktaedrisch um das Zentralion angeordnet. Beispiele sind [Cr(H₂O)₆]²⁺ (himmelblau, High-spin-Komplex), [Cr(H₂O)₆]³⁺ (violett), [Co(H₂O)₆]²⁺ (rot, High-spin-Komplex), [Fe(H₂O)₆]²⁺ (blassgrün, High-spin-Komplex), [Cu(H₂O)₆]²⁺ (blassblau), [Ni(H₂O)₆]²⁺ (grün) und [Mn(H₂O)₆]³⁺ (granatrot, High-spin-Komplex). Auch Hexaaquakomplexe von Aluminium-, Calcium-, Iridium-, Kalium-, Natrium-, Rhodium- und Titan-Ionen werden genannt.

Es gibt außerdem Aquakomplexe mit der Koordinationszahl 4. Ihre Liganden sind quadratisch-planar oder tetraedrisch angeordnet. Beispiele sind [Be(H₂O)₄]²⁺, [Ca(H₂O)₄]²⁺, [Co(H₂O)₄]²⁺ (blau), [Cu(H₂O)₄]²⁺ (hellblau), [Li(H₂O)₄]⁺ und [Na(H₂O)₄]⁺.

Koordinationszahlen und chemische Eigenschaften

In Kristallstrukturen können Metallionen weitere Koordinationszahlen ausbilden. Bei Ionen der 1. Gruppe treten für Lithium 4 und 6, für Natrium 2, 4, 5, 6 und 8, für Kalium 6, 7 und 8, für Rubidium 9 sowie für Caesium 10 auf. Bei Ionen der 2. Gruppe sind Beryllium-Ionen vierfach, Magnesium-Ionen sechsfach und Calcium-Ionen 4-, 6-, 7- oder 8-fach koordiniert. Auch Übergangsmetall-Ionen können zahlreiche Koordinationszahlen besitzen.

Metall-Ionen der 13. Gruppe sind oktaedrisch mit n = 6 koordiniert und bilden Aquakomplexe der allgemeinen Formel [M(H₂O)₆]³⁺. Lanthanoiden können ebenfalls Aquakomplexe bilden; bei ihnen kommen verschiedene Koordinationszahlen bis 8 vor. Die angegebene allgemeine Formel lautet [Ln(H₂O)ₙ]²⁺.

Aquakomplexe beeinflussen die Hydrationsenergie, also die Energie im Zusammenhang mit der Hydratation von Ionen: Die Ligandenfeldstabilisierungsenergie verändert sie. Deshalb steigt die Hydratationsenthalpie nicht wie erwartet linear mit der Kernladungszahl an, sondern zeigt ein komplizierteres Muster.

Alle Aquakomplexe kleiner dreiwertiger Kationen, zum Beispiel Cr³⁺, Ru³⁺, Rh³⁺ und Al³⁺, können als Brønsted-Säuren reagieren. Dabei gibt ein Aqua-Ligand ein Proton ab und wird zu einem Hydroxido-Liganden. Beim Hexaaquaeisen(III)-Ion beträgt der pKₛ-Wert 2,46:

[Fe(H₂O)₆]³⁺ ⇌ [Fe(H₂O)₅(OH)]²⁺ + H⁺