Номер 38, страница 12 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

1.38. Приведите примеры изомерии в неорганической химии.

Изомерия в неорганической химии — это явление существования соединений (изомеров), имеющих одинаковый качественный и количественный состав (одну и ту же химическую формулу), но различное строение и/или расположение атомов в пространстве, и, как следствие, разные физические и химические свойства. Наиболее широко изомерия распространена среди координационных (комплексных) соединений.

Различают два основных вида изомерии: структурную и пространственную (стереоизомерию).

Структурная изомерия

Структурные изомеры имеют одинаковую брутто-формулу, но разный порядок связывания атомов.

Ионизационная изомерия

Этот тип изомерии возникает, когда лиганды во внутренней координационной сфере и ионы во внешней сфере могут меняться местами. Изомеры имеют одинаковый состав, но в растворе диссоциируют на разные ионы.
Пример: Соединения с формулой $CoBr(NH_3)_5SO_4$.
• $[Co(NH_3)_5Br]SO_4$ — сульфат пентаамминбромокобальта(III). В растворе диссоциирует на ионы $[Co(NH_3)_5Br]^{2+}$ и $SO_4^{2-}$. Реагирует с раствором хлорида бария, образуя осадок $BaSO_4$.
• $[Co(NH_3)_5SO_4]Br$ — бромид пентаамминсульфатокобальта(III). В растворе диссоциирует на ионы $[Co(NH_3)_5SO_4]^{+}$ и $Br^{-}$. Реагирует с раствором нитрата серебра, образуя осадок $AgBr$.

Ответ: Примером ионизационной изомерии являются соединения $[Co(NH_3)_5Br]SO_4$ и $[Co(NH_3)_5SO_4]Br$, которые отличаются составом внутренней и внешней координационных сфер и диссоциируют на разные ионы в растворе.

Гидратная (сольватная) изомерия

Это частный случай ионизационной изомерии, где молекулы растворителя (чаще всего воды) могут находиться либо в координационной сфере, либо за её пределами в качестве кристаллизационных молекул.
Пример: Хлорид хрома(III) гексагидрат, $CrCl_3 \cdot 6H_2O$, существует в виде нескольких изомеров, различающихся цветом и свойствами:
• $[Cr(H_2O)_6]Cl_3$ — гексааквахром(III) хлорид (фиолетовый). Все 6 молекул воды — лиганды.
• $[Cr(H_2O)_5Cl]Cl_2 \cdot H_2O$ — пентааквахлорохром(III) хлорид моногидрат (сине-зелёный). 5 молекул воды — лиганды.
• $[Cr(H_2O)_4Cl_2]Cl \cdot 2H_2O$ — тетрааквадихлорохром(III) хлорид дигидрат (тёмно-зелёный). 4 молекулы воды — лиганды.

Ответ: Примером гидратной изомерии являются различные гидраты хлорида хрома(III), такие как $[Cr(H_2O)_6]Cl_3$ и $[Cr(H_2O)_5Cl]Cl_2 \cdot H_2O$, где молекулы воды по-разному распределены между координационной сферой и кристаллической решёткой.

Координационная изомерия

Этот вид изомерии встречается в солях, где и катион, и анион являются комплексными частицами. Изомерия заключается в обмене лигандами между катионной и анионной частями.
Пример:
• $[Co(NH_3)_6][Cr(CN)_6]$ — гексацианохромат(III) гексаамминкобальта(III).
• $[Cr(NH_3)_6][Co(CN)_6]$ — гексацианокобальтат(III) гексаамминхрома(III).
В этих соединениях центральные атомы кобальт и хром обменялись лигандами ($NH_3$ и $CN^-$).

Ответ: Примером координационной изомерии являются комплексные соли $[Co(NH_3)_6][Cr(CN)_6]$ и $[Cr(NH_3)_6][Co(CN)_6]$, в которых происходит обмен лигандами между комплексным катионом и комплексным анионом.

Изомерия связывания (лигандная изомерия)

Возникает, когда в состав комплекса входит амбидентатный лиганд, способный координироваться с центральным атомом через разные донорные атомы.
Пример: Нитрит-ион ($NO_2^-$) может координироваться через атом азота (нитро-группа, $-NO_2$) или через атом кислорода (нитрито-группа, $-ONO$).
• $[Co(NH_3)_5(NO_2)]Cl_2$ — хлорид пентаамминнитрокобальта(III) (жёлтый). Связь $Co-N$.
• $[Co(NH_3)_5(ONO)]Cl_2$ — хлорид пентаамминнитритокобальта(III) (красный). Связь $Co-O$.

Ответ: Примером изомерии связывания являются нитро- и нитрито-комплексы кобальта, $[Co(NH_3)_5(NO_2)]^{2+}$ и $[Co(NH_3)_5(ONO)]^{2+}$, где лиганд $NO_2^-$ связан с ионом металла через разные атомы (азот или кислород).

Пространственная изомерия (стереоизомерия)

Стереоизомеры имеют одинаковый состав и одинаковый порядок связывания атомов, но различаются их пространственным расположением.

Геометрическая изомерия (цис-транс-изомерия)

Этот тип изомерии характерен для комплексов с квадратной или октаэдрической геометрией и связан с различным взаимным расположением лигандов относительно центрального атома.
Пример 1 (квадратный комплекс): $[Pt(NH_3)_2Cl_2]$ (хлорид диамминплатины(II)).
• цис-изомер (цисплатин): оба хлоридных лиганда находятся по одну сторону от центрального атома (угол $Cl-Pt-Cl$ равен $90^\circ$). Обладает противораковой активностью.
• транс-изомер (трансплатин): хлоридные лиганды расположены на противоположных сторонах от центрального атома (угол $Cl-Pt-Cl$ равен $180^\circ$). Биологически неактивен.
Пример 2 (октаэдрический комплекс): $[Co(NH_3)_4Cl_2]^+$.
• цис-изомер: два хлоридных лиганда находятся в соседних положениях (угол $Cl-Co-Cl$ равен $90^\circ$).
• транс-изомер: два хлоридных лиганда находятся в противоположных положениях (угол $Cl-Co-Cl$ равен $180^\circ$).
Для комплексов типа $MA_3B_3$ существует также fac-mer (грань-меридиональная) изомерия.

Ответ: Примером геометрической изомерии являются цис- и транс-изомеры комплекса $[Pt(NH_3)_2Cl_2]$, различающиеся взаимным расположением лигандов $NH_3$ и $Cl$ в плоскости квадрата вокруг иона платины.

Оптическая изомерия (энантиомерия)

Оптические изомеры (энантиомеры) — это пара стереоизомеров, которые являются зеркальными отражениями друг друга и несовместимы в пространстве (хиральны). Они вращают плоскость поляризации плоскополяризованного света в противоположные стороны.
Пример: Комплексный ион трис(этилендиамин)кобальта(III), $[Co(en)_3]^{3+}$, где $en$ — бидентатный лиганд этилендиамин ($H_2N-CH_2-CH_2-NH_2$).
Структура этого иона и его зеркальное отражение несовместимы, подобно левой и правой руке. Таким образом, существуют два энантиомера: $\Lambda - [Co(en)_3]^{3+}$ и $\Delta - [Co(en)_3]^{3+}$.
Также оптической активностью обладает цис-изомер иона $[Co(en)_2Cl_2]^+$, в то время как его транс-изомер является ахиральным (имеет плоскость симметрии) и оптически неактивен.

Ответ: Примером оптической изомерии является существование двух энантиомеров (зеркальных, несовместимых изомеров) для комплексного иона $[Co(en)_3]^{3+}$.