Komplexbildungsreaktion

Grundidee der Komplexbildung

Eine Komplexbildungsreaktion ist eine chemische Reaktion aus der Komplexchemie. Dabei reagiert ein Metall-Kation mit Molekülen oder Ionen, die freie Elektronenpaare besitzen und diese für eine koordinative Bindung zur Verfügung stellen. Solche Teilchen wirken als Lewis-Basen; das Metall-Kation wirkt als Bindungspartner. Das Molekül oder Ion, das an das Metall-Kation bindet, heißt Ligand.

Komplexbildungsreaktionen sind oft an Farbumschlägen erkennbar. In Summenformeln und Reaktionsschemata wird ein Komplex durch eckige Klammern dargestellt. Darin steht vorne das Zentralatom, zum Beispiel ein Kupferkation; die Liganden stehen in runden Innenklammern. Ein Beispiel ist [Cu(NH_{3})_{4}]^{2+}.

Kupferkomplexe als Nachweisreaktionen

Wasserfreies, weißes Kupfersulfat färbt sich bei Zugabe von Wasser hellblau. Diese Reaktion dient als Nachweisreaktion für Wasser. Es entsteht ein Aqua-Komplex des Kupfers, bei dem sechs Wassermoleküle als Liganden an das Zentralion gebunden sind. Die beiden axial gelegenen Liganden sind dabei deutlich weiter vom Zentralion entfernt; dies wird als Jahn-Teller-Effekt bezeichnet.

Die Reaktionsgleichung lautet: CuSO_{4} + 6 H_{2}O → [Cu(H_{2}O){6}]^{2+} + SO{4}^{2-}.

Kupfer-II-salze bilden mit Ammoniaklösung bei pH-Werten über 8 tiefblaue Komplexsalz-Lösungen. Dabei entsteht der Kupfertetraamminkomplex [Cu(NH_{3}){4}]^{2+}, auch Tetraamminkupfer(II) genannt. Die Reaktionsgleichung lautet: Cu^{2+} + 4 NH{3} → [Cu(NH_{3})_{4}]^{2+}.

Der Kupfertetraammin-Komplex ist wie der Kupferhexaaquakomplex zweifach positiv geladen, weil neutrale Moleküle an das Zentralatom binden. Streng genommen sind es beim Kupfertetraammin-Komplex 4 NH_{3} und 2 H_{2}O, ebenfalls im Zusammenhang mit dem Jahn-Teller-Effekt.

Ladung und Benennung von Komplexen

Die Ladung eines Komplexes hängt von der Ladung des Zentralions und der Liganden ab. Binden neutrale Liganden wie NH_{3} oder H_{2}O an ein Cu^{2+}-Ion, bleibt der Komplex zweifach positiv geladen.

Binden dagegen negativ geladene Liganden wie Chlorid-Anionen an das Zentralatom, kann ein negativ geladener Komplex entstehen. Ein Beispiel ist der grüne Tetrachlorocuprat-II-Komplex, der zweifach negativ geladen ist: Cu^{2+} + 4 Cl^{-} → [Cu(Cl)_{4}]^{2-}.

Anionische Komplexe werden anders benannt: Der Metallname erhält am Namensende die Endung -at. Solche Komplexe sind auch in der Biochemie von großer Bedeutung.

Nickel-Dimethylglyoxim-Komplex

Nickelsalzlösung bildet mit einer alkoholischen Dimethylglyoxim-Lösung, abgekürzt DMG, Komplexe. In ammoniakalischer Lösung fällt dabei himbeerrotes Nickel-dimethylglyoxim als Komplex aus.

Die Reaktionsgleichung lautet: Ni^{2+} + 2 C_{4}H_{8}N_{2}O_{2} → [Ni(C_{4}H_{7}N_{2}O_{2})_{2}] + 2 H^{+}.

Dieser Komplex unterscheidet sich von den Kupferkomplexen im Artikel: Er ist neutral und in Wasser unlöslich. Der Kupfertetraammin-Komplex und der Kupfertetraaquo-Komplex sind dagegen geladene Komplexe.

Gleichgewicht und Stabilität

Komplexbildungsreaktionen sind Lewis-Säure-Base-Reaktionen und laufen als Gleichgewichtsreaktionen ab. Für sie kann das Massenwirkungsgesetz aufgestellt werden.

Die zugehörige Gleichgewichtskonstante heißt Komplexbildungskonstante. Sie beschreibt auch, wie stabil ein Komplex ist beziehungsweise ob er leicht zur Dissoziation neigt. Dissoziation bedeutet hier, dass ein Komplex wieder in Bestandteile zerfällt. Der reziproke Wert der Komplexbildungskonstante heißt Komplexdissoziationskonstante K_{D}; im Artikel wird dies als K_{A}^{−1} = K_{D} angegeben.

Bedeutung in Chemie und Biologie

Komplexbildungsreaktionen gehören zu mehreren Reaktionstypen der Komplexchemie. Neben ihnen gibt es Ligandenaustauschreaktionen und Dissoziationsreaktionen, bei denen Komplexe gebildet oder wieder abgebaut werden.

Sie sind in vielen Bereichen wichtig: in der Katalyse, der Biochemie, der Farbstoffchemie, der Analytischen Chemie mit Nachweisreaktionen besonders für Kationen im Kationentrenngang sowie in der Chemischen Technologie.

Viele farbige Komplexe werden außerdem genutzt, um Atom- und Molekülstrukturen, Stoffwechselvorgänge, Licht-Materie-Wechselwirkungen und katalytische Vorgänge zu erforschen. Als Beispiele nennt der Artikel den Chrom-Hexamin-Komplex, neuartige Sandwichkomplexe, Hämoglobin bei der Atmung, Chlorophyll bei der Photosynthese, Komplexe mit Eisensulfid-Mineralien bei der chemischen Evolution und der Entstehung des Lebens, außerdem viele Enzyme und einige Vitamine. Hämoglobin ist ein Eisenkomplex im Blut, dessen Struktur sich bei Aufnahme von Sauerstoff, der Oxygenation, und bei Abgabe von Sauerstoff, der Desoxygenation, ändert.