کمپلکس شیمیایی چیست؟

کلمه کمپلکس معانی زیادی دارد، مثلا در زبان عامه معنی مجموعه یا ترکیب چند چیز با هم مثلا همه دیگه مجموعه ورزشی آزادی(ورزشگاه آزادی) می شناسند، اگر به نام انگلیسی سر در این ورزشگاه نگاه کرده باشید می بینید نوشته «Azadi Sports Complex» کمپلکس ورزشی آزادی یعنی مجموعه‌ای از ورزشگاه‌ها و سالن‌ها و یا کمپلکس در روانشناسی به معنای مجموعه‌ای از احساسات یا افکار ناخودآگاه درباره‌ی یک موضوع خاص که روی رفتار فرد تأثیر می‌گذارد یا مثلا کمپلکس در پزشکی به معنای ترکیبی از چند بخش یا مولفه است که با هم عمل می‌کنند.

نوبتی هم باشه نوبت بررسی معنی کمپلکس در شیمی، جالبه بدانید به ترکیبی که در اون یک اتم مرکزی(معمولاً فلز) با چند مولکول یا یون اطرافش (به نام لیگاند) پیوند برقرار می‌کند، کمپلکس گفته می شود.

ما امروز در این مطلب از پیلار مگ قصد داریم به بررسی معنی و مفهوم کمپلکس در شیمی بپردازیم. ما در ابتدا کمپلکس را تعریف می کنیم و سپس به معرفی انواع کمپلکس شیمیایی و کاربرد آنها می پردازیم و در آخر هم شیوه نامگذاری کمپلکس ها را بررسی می کنیم. پس با ما تا پایان این مطلب همراه باشید.

کمپلکس چیست؟

گفتیم که کمپلکس(complex) یک ترکیب شیمیایی است که در آن یک اتم یا یون مرکزی(معمولاً یک فلز واسطه) با چند مولکول یا یون دیگر به‌نام لیگاند پیوند برقرار کرده‌است؛ جالبه بدانید این پیوند معمولاً از نوع پیوند داتیو است، یعنی لیگاند یک جفت الکترون ناپیوندی خودش را به اتم مرکزی می‌دهد و سیستم یک واحد مشخص و پایدار را می‌سازد.

ویژگی ها و مشخصات فیزیکی و شیمیایی

برای درک بهتر اینکه کمپلکس چیست، باید ابتدا با ویژگی‌های آن آشنا شویم. کمپلکس‌ها معمولاً ویژگی‌هایی مانند انحلال‌پذیری، رنگ، طیف جذبی و خواص مغناطیسی ویژه‌ای دارند که آن‌ها را از عناصر ساده یا ترکیبات معمولی متمایز می‌کند. در واقع، زمانی که یک کمپلکس تشکیل می‌شود، ویژگی‌های شیمیایی فلز مرکزی تغییر می‌کند و رفتاری متفاوت از حالت خالص خود نشان می‌دهد.

در پیوندهای بین فلز و لیگاند، معمولاً نوعی برهم‌کنش اسید و باز لوییس برقرار می‌شود؛ یعنی فلز به‌عنوان پذیرندهٔ جفت‌الکترون عمل می‌کند و لیگاند نقش دهندهٔ جفت‌الکترون را دارد. پیوندی که بین آن‌ها شکل می‌گیرد از نیروهای بین‌مولکولی قوی‌تر است، چون جهت‌دار و خاص است، اما در عین حال از پیوندهای یونی و کووالانسی ضعیف‌تر محسوب می‌شود.

ساختار کمپلکس

سازهٔ یک کمپلکس معمولاً شامل موارد زیر می باشد.

1. هسته‌ی مرکزی (فلز)
2. تعداد و نوع لیگاندها
3. عدد هماهنگی(تعداد لیگاندهای متصل به فلز)
4. هندسهٔ فضایی(مثلاً اکتاِدرال، تترائدرال، خطی یا تخت مربعی)

همچنین باید بین کره هماهنگی(قسمت شامل فلز و لیگاندهای متصل) و یون‌ها یا مولکول‌های مقابل(counter-ions) تمایز قائل شد. لیگاندها می‌توانند تک‌بندی (monodentate) یا چندبندی (bidentate، polydentate) باشند و جالبه بدانید خواص کمپلکس ها که در بالا به آن اشاره کردیم، به نوع فلز، بار آن، و طبیعت لیگاندها بستگی دارد.

اجازه بدهید این بخش یکم ساده تر توضیح بدهم ؛ ترکیب کمپلکس در واقع مثل یک دسته گل شیمیایی هستند که فلز در وسط قرار دارد و لیگاندها مثل گلبرگ‌ها دورتادور آن چیده شده‌اند.

در واقع در ساختار کمپلکس، فلز نقش مرکز را دارد و لیگاندها با دادن جفت الکترون خود به فلز، به آن متصل می‌شوند و گفتیم نوع و تعداد این لیگاندها شکل و ویژگی‌های کمپلکس را مشخص می‌کند؛ مثلاً بعضی کمپلکس‌ها رنگی هستند، بعضی محلول در آب‌اند، و برخی هم در واکنش‌های صنعتی یا دارویی استفاده می‌شوند.

مثلاً وقتی مس سولفات را با آمونیاک مخلوط می‌کنیم، محلول آبی‌رنگی تشکیل می‌شود. در این واکنش، یون مس با چهار مولکول آمونیاک ترکیب می‌شود و کمپلکس [Cu(NH₃)₄]²⁺ ساخته می‌شود. همین تغییر رنگ آبی در واقع نشان می‌دهد که یک کمپلکس جدید به‌وجود آمده است.

لطفا توجه کنید که این جدول یک الگوی عمومی است. شما باید برای هر کمپلکس خاص مقادیر عددی و جزئیات را از منابع مرجع یا دیتابیس‌های شیمیایی استخراج کنید.

ساختمان ترکیبات کمپلکس

ساختمان ترکیبات کمپلکس به آرایش الکترونی فلز مرکزی و نوع لیگاندهای متصل به آن بستگی دارد. با بررسی ساختار الکترونی فلز و ویژگی‌های آنیون‌ها یا مولکول‌های خنثی که به‌عنوان لیگاند عمل می‌کنند، می‌توان نوع پیوندها و شکل نهایی کمپلکس را مشخص کرد. به بیان ساده، جنس فلز و نوع لیگاندها تعیین می‌کنند که کمپلکس چه ساختاری خواهد داشت و چگونه رفتار می‌کند.

مفاهیم کلیدی کمپلکس

حب قبل از اینکه به ادامه مطلب بپردازیم، تصمیم گرفتم برخی از مفاهیم و عبارت هایی که ممکن است در این مطلب به کار ببریم را بصورت کوتاه توضیح بدهم، چون واقعاً کمپلکس بحث واقعاً پیچیده ای هست.

1. هسته: اتم فلزی که در مرکز کمپلکس قرار دارد و لیگاندها به آن متصل می‌شوند.
2. لیگاند: مولکول یا یون کوچکی که با فلز مرکزی پیوند تشکیل می‌دهد و معمولاً جفت الکترون آزاد خود را به فلز می‌دهد.
3. پل: لیگاندی که بین دو یا چند فلز مشترک است و آن‌ها را به هم متصل می‌کند.
4. عدد هماهنگی(عدد کوئوردیناسیون): تعداد لیگاندهایی که مستقیماً به فلز مرکزی متصل شده‌اند.
5. کلاته: لیگاند چنددندانه که فلز را دربر می‌گیرد و باعث پایداری بیشتر کمپلکس می‌شود.
6. هندسه کمپلکس: شکل سه‌بعدی کمپلکس که توسط فلز و لیگاندها ساخته می‌شود (مثلاً خطی، مربع تختی، اکتاهدرال).
7. کمپلکس آلی‌فلزی: کمپلکسی که حداقل یک لیگاند آن پیوند مستقیم با کربن دارد.

انواع کمپلکس ها

خب بیایید با هم رایج ترین کمپلکس ها را بررسی کنیم.

۱. کمپلکس‌های تک‌لایه (Mononuclear Complexes)

این نوع ساده‌ترین شکل کمپلکس‌ها هستند که از یک اتم مرکزی و چند لیگاند متصل به آن تشکیل می‌شوند. در واقع، تمام لیگاندها مستقیماً با همان اتم مرکزی در ارتباط‌اند و ساختار نسبتاً ساده‌ای دارند. به‌عنوان نمونه، اورانیوم هگزا فلوئورید (UF₆) نمونه‌ای از این نوع کمپلکس است که در آن شش اتم فلوئور به یک اتم اورانیوم متصل شده‌اند.

۲. کمپلکس‌های چندلایه (Polynuclear or Multilayer Complexes)

در این گروه، علاوه بر اتم مرکزی و لیگاند‌های متصل به آن، مولکول‌ها یا یون‌های همراهی نیز وجود دارند که اگرچه به‌صورت مستقیم به فلز مرکزی وصل نیستند، اما در اطراف ساختار باقی می‌مانند و نقش پایداری ساختار را دارند. این مولکول‌ها فقط در شرایط خاص از کمپلکس جدا می‌شوند.

برای مثال، کلرید آهن (III) شش آبه [FeCl₃·6H₂O] از این نوع است. در آن سه اتم کلر مستقیماً به آهن متصل هستند و شش مولکول آب به صورت لایه دوم پیرامون ساختار قرار دارند.

۳. کمپلکس‌های آلی‌فلزی (Organometallic Complexes)

این کمپلکس‌ها از ترکیب بخش‌های آلی و فلزی ساخته می‌شوند. در این ترکیبات، یکی یا چند تا از لیگاندها از ترکیبات آلی هستند که به فلز مرکزی پیوند دارند. این نوع کمپلکس‌ها در شیمی صنعتی، کاتالیزورها و حتی در بدن انسان کاربرد دارند.

برای مثال، هموگلوبین که مسئول انتقال اکسیژن در خون است، نوعی کمپلکس آلی‌فلزی محسوب می‌شود. همچنین ترکیب مولیبدن هگزا کربونیل [Mo(CO)₆] یکی از نمونه‌های معروف این گروه است.

۴. کمپلکس‌های الیگومری و پلیمری (Oligomeric and Polymeric Complexes)

در این ساختارها، یک یا چند لیگاند بین دو یا چند اتم مرکزی به اشتراک گذاشته می‌شوند. نتیجه این اشتراک، تشکیل زنجیره‌ها یا شبکه‌هایی از چند هسته فلزی است. اگر تعداد این هسته‌ها محدود باشد (مثلاً سه یا پنج هسته)، ترکیب را کمپلکس الیگومری می‌نامند. اما اگر این پیوندها در مقیاس بزرگ و تکرارشونده شکل بگیرند، کمپلکس پلیمری ایجاد می‌شود که ساختاری منظم و گسترده دارد.

انواع روش تقسیم بندی کمپلکس

جالبه بدانید که کمپلکس ها را در علم شیمی به 7 روش تقسیم بندی می کنند که من بصورت خلاصه و کاربردی برای شما در این جدول قرار دادم.

لیگاند

تا اینجا درباره کمپلکس‌ها صحبت کردیم و فهمیدیم که کمپلکس ترکیبی از یک فلز مرکزی و لیگاندهاست. حالا بهتر است با مفهوم لیگاند بیشتر آشنا شویم:

لیگاند(Ligand) مولکول یا یونی است که می‌تواند یک یا چند جفت الکترون آزاد خود را به فلز مرکزی بدهد و با آن پیوند داتیو(coordinate bond) تشکیل دهد. به عبارت ساده‌تر، لیگاند مثل یک بازو عمل می‌کند و فلز را در مرکز کمپلکس احاطه می‌کند و نوع آن‌ها شکل، پایداری و خواص کمپلکس را تعیین می‌کند. مثال ساده: آمونیاک یا آب می‌توانند لیگاند باشند و به یون فلزی مانند Cu²⁺ متصل شوند و کمپلکس‌هایی مثل [Cu(NH₃)₄]²⁺ بسازند.

فرآیند تشکیل کمپلکس‌ها

تشکیل کمپلکس‌ها معمولاً شامل اتصال لیگاندها به فلز مرکزی است. این فرآیند را می‌توان به چند مرحله ساده تقسیم کرد:

1. آماده‌سازی فلز مرکزی: فلز معمولاً به شکل یون مثبت (مثل Cu²⁺، Fe³⁺) در محلول وجود دارد و آماده پذیرش جفت الکترون از لیگاندهاست.
2. نزدیکی لیگاندها به فلز: لیگاندها که دارای جفت الکترون آزاد هستند، به سمت فلز حرکت می‌کنند و آماده تشکیل پیوند می‌شوند.
3. تشکیل پیوند داتیو (Coordinate Bond): لیگاندها جفت الکترون خود را به فلز مرکزی می‌دهند و پیوند کمپلکس شکل می‌گیرد. این پیوند جهت‌دار است و باعث پایداری بیشتر کمپلکس نسبت به ترکیبات ساده می‌شود.
4. تشکیل ساختار پایدار: با اتصال تمام لیگاندها، کمپلکس هندسه مشخص و پایداری پیدا می‌کند. شکل فضایی کمپلکس (خطی، مربع تختی، اکتاهدرال و غیره) به عدد هماهنگی و نوع لیگاندها بستگی دارد.
5. تعادل در محلول: بسیاری از کمپلکس‌ها در محلول به شکل تعادلی دینامیک هستند؛ یعنی لیگاندها می‌توانند جدا شوند یا جایگزین شوند، به ویژه در کمپلکس‌های ضعیف یا چندلایه.

اجازه بدهید که یک مثال بزنم، وقتی Cu²⁺ در محلول با NH₃ مخلوط می‌شود:

• فلز مرکزی: Cu²⁺
• لیگاند: NH₃
• نتیجه: کمپلکس چهارآمینۀ مس با رنگ آبی تیره

نام‌گذاری کمپلکس‌ها

نامگذاری کمپلکس ها در شیمی بر اساس قواعد مشخص IUPAC انجام می‌شود و معمولاً شامل سه بخش اصلی است:

مرحله نخست نام لیگاندها 

ابتدا لیگاندها نوشته می‌شوند و ترتیب حروف الفبا رعایت می‌شود. لیگاندهای آنیونی با -o پایان می‌یابند (مثلاً: chloro برای Cl⁻، cyano برای CN⁻) و لیگاندهای خنثی معمولاً نام طبیعی خود را حفظ می‌کنند (مثل: ammine برای NH₃، aqua برای H₂O).

اگر لیگاند چنددندانه یا چندتایی باشد، از پیشوندهایی مثل di-, tri-, tetra- استفاده می‌شود. مثلا tetraammine = چهار آمونیاک

مرحله دوم نام فلز مرکزی

بعد از نام لیگاندها، فلز مرکزی ذکر می‌شود.

• اگر کمپلکس کاتیونی باشد، نام فلز به‌صورت معمولی نوشته می‌شود (مثلاً: copper).
• اگر کمپلکس آنیونی باشد، نام فلز با پسوند -ate ذکر می‌شود (مثلاً: ferrate برای Fe³⁺).

عدد اکسایش فلز معمولاً در پرانتز رومی کنار نام فلز نوشته می‌شود: مثلا copper(II), iron(III)

مرحله سوم، ترتیب کامل نام کمپلکس

ابتدا لیگاندها، سپس فلز مرکزی با عدد اکسایش. به عنوان مثال

• [Cu(NH₃)₄]²⁺ → tetraammine copper(II)
• [Fe(CN)₆]³⁻ → hexacyanoferrate(III)

ثابت پایداری کمپلکس چیست؟

ثابت پایداری کمپلکس عددی است که نشان می‌دهد یک کمپلکس فلزی چقدر تمایل دارد پایدار بماند و از هم جدا نشود. هرچه مقدار این ثابت بزرگ‌تر باشد، یعنی فلز و لیگاندها محکم‌تر به هم متصل شده‌اند و احتمال تجزیه کمپلکس کمتر است. این ثابت معمولاً با kf یا Stability Constant نمایش داده می‌شود و از نسبت مقدار کمپلکس تشکیل‌شده به مقدار مواد جداگانه بدست می‌آید.

به زبان ساده، ثابت پایداری راهی است برای اندازه‌گیری قدرت تشکیل و استحکام یک کمپلکس.

کایرالیته چیست؟

کایرالیته(Chirality) به زبان ساده یعنی دست‌سانی؛ حالتی که یک مولکول یا جسم، تصویر آینه‌ای خود را نمی‌تواند بر هم منطبق کند. درست مثل دو دست انسان که شبیه‌اند اما اگر روی هم قرارشان بدهیم کاملاً هم‌پوشانی ندارند. مولکول‌های کایرال معمولاً یک اتم کربن دارند که به چهار گروه متفاوت متصل شده و به آن کربن نامتقارن یا مرکز کایرال می‌گویند. وجود همین مرکز باعث می‌شود دو شکل متفاوت از مولکول به نام انانتیومر به وجود بیاید که تصویر آینه‌ای یکدیگرند.

کایرالیته و کمپلکس ها

کایرالیته در نگاه اول بیشتر مربوط به شیمی آلی به نظر می‌رسد، اما در شیمی کمپلکس‌ها هم کاملاً مهم و کاربردی است. برخی کمپلکس‌های فلزی می‌توانند به دلیل نوع آرایش لیگاندها حالت کایرال پیدا کنند؛ یعنی دو فرم داشته باشند که تصویر آینه‌ای یکدیگرند و روی هم منطبق نمی‌شوند. این نوع کمپلکس‌ها را کمپلکس‌های کایرال می‌نامیم.

این حالت معمولاً در کمپلکس‌هایی دیده می‌شود که هندسهٔ هشت‌وجهی یا تتراهدرال نامتقارن دارند. برای مثال، اگر در یک کمپلکس هشت‌وجهی سه لیگاند دو دندانه به‌صورت مارپیچی دور فلز قرار بگیرند، دو فرم ایجاد می‌شود: یکی راست‌گرد (Δ) و دیگری چپ‌گرد (Λ). این دو فرم، مثل دو دست انسان، تصویر آینه‌ای یکدیگرند اما قابل‌انطباق نیستند.

اهمیت این موضوع زمانی مشخص می‌شود که بدانیم انانتیومرهای کمپلکس‌ ها نیز مانند مولکول‌های آلی می‌توانند فعالیت زیستی، کاتالیزوری یا نوری متفاوتی داشته باشند. به همین دلیل، کایرالیته نه‌تنها در شیمی آلی بلکه در شیمی معدنی و شیمی کمپلکس‌ها هم نقشی کلیدی دارد.

جمع بندی

ما امروز با هم در این مطلب از نشریه شیمی داکس یاد گرفتیم که کمپلکس‌ها ساختارهایی هستند که در آن‌ها یک فلز مرکزی با چندین لیگاند احاطه می‌شود و همین ترکیب باعث شکل‌گیری ویژگی‌های منحصربه‌فرد شیمیایی و کاربردی می‌شود. از تعریف پایه‌ای کمپلکس و انواع آن شروع کردیم—کمپلکس‌های کاتیونی، آنیونی و خنثی—و دیدیم که ساختار کمپلکس به آرایش الکترونی فلز و نوع لیگاندهای آن بستگی دارد.

همچنین آموختیم که پایداری کمپلکس با عددی به نام ثابت پایداری سنجیده می‌شود؛ عددی که نشان می‌دهد پیوند میان فلز و لیگاندها چقدر محکم است و کمپلکس چقدر تمایل به باقی ماندن در کنار هم دارد. در ادامه، وارد دنیای جذاب لیگاندها شدیم؛ این‌که چگونه به فلز متصل می‌شوند، چرا بعضی از آن‌ها تک‌دندانه‌اند و برخی چنددندانه، و اینکه پیشوندهایی مثل di-، tri- یا bis- و tris- چه زمانی استفاده می‌شوند.

سپس روش استاندارد IUPAC برای نام‌گذاری کمپلکس‌ها را مرور کردیم: ابتدا لیگاندها به ترتیب الفبایی، بعد فلز با عدد اکسایش، و در نهایت در صورت نیاز نام یون مقابل. همچنین فهمیدیم که چرا کلرید به کلرو، سولفات به سولفاتو و NH₃ به آمین تبدیل می‌شود.