Komplexverbindungen Liganden: Aufbau, Namen, Beispiele

Gibst du blaues Kupfersulfat in Wasser, entsteht eine hellblaue Lösung. Fügst du Ammoniak hinzu, wird sie tiefblau. Dahinter steckt keine neue Ionenverbindung, sondern ein Komplex. Ein Komplex besteht aus einem Zentralteilchen und mehreren Liganden. Das Zentralteilchen ist meist ein positiv geladenes Metall-Ion, zum Beispiel Cu2+, Fe3+ oder Ag+. Die Liganden sind Teilchen mit mindestens einem freien Elektronenpaar, etwa H2O, NH3, Cl- oder CN-.

Die Zahl der Bindungsstellen am Zentralteilchen heißt Koordinationszahl. Häufig sind 2, 4 und 6. Sie bestimmt die Gestalt des Komplexes: Bei 2 ist er linear, wie im Diamminsilber(I)-Ion, bei 4 tetraedrisch oder quadratisch-planar, bei 6 oktaedrisch wie im Hexaaquakupfer(II)-Ion. Der Komplex steht in eckigen Klammern, die Ladung schreibst du rechts oben außerhalb der Klammer.

Besitzt ein Ligand mehrere Stellen, an denen er binden kann, spricht man von mehrzähnigen Liganden. Wasser ist einzähnig. Ethylendiamin bindet mit zwei Stickstoffatomen und ist zweizähnig, EDTA hat sechs Bindungsstellen. Mehrzähnige Liganden umschließen das Metall-Ion wie eine Zange. Solche Komplexe heißen Chelate, vom griechischen Wort für Krebsschere, und sind besonders stabil.

Die Bindung zwischen Ligand und Zentralteilchen ist eine koordinative Bindung, auch Donor-Akzeptor-Bindung genannt. Beide Bindungselektronen stammen vom Liganden. Das Metall-Ion ist der Elektronenpaar-Akzeptor und damit eine Lewis-Säure, der Ligand der Donor und damit eine Lewis-Base. Wo vorher nur Anziehung zwischen Ion und Dipol herrschte, entsteht im Komplex eine feste, gerichtete Bindung. Das erklärt, warum sich schwerlösliche Stoffe in Komplexbildnern lösen.

Ein Beispiel ist Silberchlorid. Es löst sich nicht in Wasser, aber in Ammoniaklösung: AgCl + 2 NH3 ergibt [Ag(NH3)2]+ + Cl-. Die Silber-Ionen verschwinden aus dem Lösungsgleichgewicht, weil sie im Komplex gebunden sind, und es löst sich immer mehr AgCl nach. Auch Kupferhydroxid löst sich in überschüssigem Ammoniak: Cu(OH)2 + 4 NH3 ergibt [Cu(NH3)4]2+ + 2 OH-. Dabei entsteht die tiefblaue Farbe.

Die Farbe der Komplexe stammt von den d-Elektronen des Metall-Ions. Die Liganden spalten die d-Orbitale energetisch auf. Elektronen können durch sichtbares Licht von einem tieferen in ein höheres d-Orbital angeregt werden. Das Licht dieser Farbe wird absorbiert, wir sehen die Komplementärfarbe. Ändert man den Liganden, ändert sich der Abstand zwischen den Orbitalen und damit die Farbe. Ionen ohne d-Elektronen oder mit voll besetzter d-Schale, etwa Zn2+, sind in Lösung farblos.

Für die Namen gibt es feste Regeln. Zuerst nennst du die Liganden, alphabetisch geordnet, dann das Zentralteilchen. Die Anzahl gleicher Liganden gibst du mit den Zahlwörtern di, tri, tetra, penta und hexa an. Typische Ligandennamen sind aqua für Wasser, ammin für Ammoniak mit zwei m, chlorido für Cl-, cyanido für CN- und hydroxido für OH-. Bei Komplex-Anionen erhält das Metall die Endung -at, bei Kupfer wird daraus Cuprat, bei Eisen Ferrat.

Danach folgt die Oxidationszahl des Zentralteilchens in Klammern mit römischen Ziffern. Du bestimmst sie, indem du die Ladung der Liganden von der Gesamtladung abziehst. Im Komplex [Fe(CN)6]3- tragen sechs Cyanid-Ionen sechs negative Ladungen, die Gesamtladung beträgt minus 3, also hat Eisen die Oxidationszahl plus 3. Der Name lautet Hexacyanidoferrat(III).

Bei Salzen nennst du zuerst das Kation, dann das Anion. Das Salz [Cu(NH3)4]SO4 heißt Tetraamminkupfer(II)-sulfat, und das Salz K3[Fe(CN)6] heißt Kaliumhexacyanidoferrat(III). Mit etwas Übung gelingt das Benennen rasch. Schreibe dir die Ligandennamen und Zahlwörter auf einen Zettel, bis sie sitzen.

Ein häufiger Fehler ist die falsche Ladung des Komplexes. Viele vergessen, dass die Gesamtladung die Summe aus der Ladung des Metalls und der Liganden ist. Neutrale Liganden wie H2O und NH3 ändern die Ladung nicht, Anionen wie Cl- oder CN- senken sie. Wenn du dir bei der Ladung unsicher bist, schreibe die Rechnung auf: Metall plus Liganden gleich Gesamtladung.

Beim Benennen werden oft Zahlwörter und Reihenfolge verwechselt. Ammoniak heißt im Komplex ammin mit zwei m, Wasser heißt aqua. Die Liganden stehen alphabetisch vor dem Metall, nicht nach der Zahl. Auch die Endung -at für Komplex-Anionen wird vergessen: Es heißt Hexacyanidoferrat und nicht Hexacyanidoeisen, wenn der Komplex negativ geladen ist.

Ein dritter Fehler ist die Verwechslung von Oxidationszahl und Koordinationszahl. Die Oxidationszahl steht in römischen Ziffern im Namen und beschreibt die Ladung des Zentralteilchens. Die Koordinationszahl zählt die Bindungen. Im Hexaaquakupfer(II)-Ion ist die Oxidationszahl 2, die Koordinationszahl 6. Und ein mehrzähniger Ligand zählt für die Koordinationszahl so oft, wie er Bindungsstellen hat.

Komplexe sind in der Natur allgegenwärtig. Im Hämoglobin sitzt ein Eisen(II)-Ion im Zentrum eines flachen Ringliganden, des Häms. Das Eisen bindet reversibel Sauerstoff, den dein Blut so durch den Körper transportiert. Im Chlorophyll sitzt ein Magnesium-Ion in einem ähnlichen Ring, im Vitamin B12 steckt Cobalt. Ohne Komplexchemie gäbe es weder Atmung noch Photosynthese in der bekannten Form.

In der Technik und im Haushalt nutzt man mehrzähnige Liganden als Komplexbildner. EDTA fängt Calcium- und Magnesium-Ionen ein und dient in der Chemie zur Härtebestimmung von Wasser. Es steckt als Zusatz in Waschmitteln, Kosmetika und Konserven, dort bindet es Metall-Spuren, die Fette verderben lassen würden. Auch die Entfernung von Schwermetallen aus dem Körper nutzt diesen Effekt.

Medizin und Analytik profitieren ebenfalls. Cisplatin, ein quadratisch-planarer Platinkomplex, ist ein wichtiges Krebsmedikament. Der Nachweis von Eisen(III)-Ionen mit Thiocyanat zeigt blutrote Färbung. Berliner Blau, ein Eisencyanid-Komplex, war eines der ersten künstlichen Pigmente. Beim Arbeiten mit Cyanid-Komplexen gilt dagegen Vorsicht: Cyanide sind giftig, und Säure setzt giftigen Blausäure-Dampf frei.