Металлы в живых организмах

Хлорид меди CuCl₂ высушенный, т. е. безводный, окрашен в светло-коричневый цвет. Бросим щепотку этой соли в воду, получится раствор голубой окраски. Ионы хлора бесцветны, голубую окраску надо приписать соединению иона меди и молекул воды. Проверим это. Попробуем заменить воду иным растворителем, например ацетоном; если голубая окраска свойственна водному соединению, то в ацетоне должна наблюдаться другая окраска, независимо от того, реагирует ли ион меди с ацетоном или нет. Хлорид меди растворяется в ацетоне, образуя раствор зелено-коричневого цвета. При добавлении в него избытка воды раствор делается голубым. Все это убеждает нас в том, что ионы металла с водой (и, вероятно, с ацетоном) образуют какие-то соединения. Еще Д. И. Менделеев — творец сольватной теории растворов — указывал на бесспорные признаки химической реакции в процессе растворения многих веществ. Измерения обнаруживают и выделение теплоты при растворении безводных солей: безводные хлорид и сульфат меди сильно разогреваются при добавлении к ним воды. С другой стороны, если попробовать удалить воду из раствора сульфата меди, то можно получить красивые синие кристаллы, имеющие состав CuSO₄*5H₂O. Для того чтобы удалить и эти оставшиеся молекулы воды (четыре из них, как доказано, окружают ион меди и одна соединена с сульфат-ионом), придется сильно нагреть кристаллы; тогда они, теряя воду, становятся почти белыми.

Все это позволяет сделать уверенный вывод, что молекулы способны прочно присоединяться к ионам меди, заметно изменяя их свойства, в частности окраску. Молекулы воды присоединяются и к ионам других металлов — кальция, железа, магния, натрия и др. При медленном испарении воды из растворов солей удается получить кристаллы, содержащие соль и определенное количество молекул воды на каждую молекулу соли. Выделенные в чистом виде, такие соединения носят название кристаллогидратов. К кристаллогидратам относят соединения: CuCl₂*2H₂O, CuSO₄*5H₂O, а также СаСl₂*6Н₂O, CaSO₄*2H₂O, Na₂SO₄*10H₂O и др.

Но не только вода, а и другие соединения могут взаимодействовать с ионами металлов в растворах. Добавим, например, к водному раствору какой-либо соли меди (можно взять раствор хлорида СuСl₂) избыток водного аммиака. Сначала появится зеленовато-голубой осадок, затем он быстро исчезнет, а жидкость приобретет красивый темно-синий цвет. Что произошло? Первые порции водного аммиака вступили в реакцию с хлоридом меди, и получился осадок гидроксида меди (II):

Реакция водного аммиака с хлоридом меди

Растворение осадка и появление синей окраски указывают на развитие другой реакции. В результате взаимодействия гидроксида с молекулами аммиака, которые всегда имеются в водном растворе аммиака, получилось соединение — аммиакат меди:

Взаимодействие гидроксида меди с молекулами аммиака

Это соединение способно диссоциировать, отщепляя ионы ОН-:

Диссоциация аммиаката меди

Молекулы аммиака прочно связаны с ионами меди, и синяя окраска — это свойство именно комплексного иона Cu(NH₃)²₄⁺. Следовательно, к ионам металлов могут присоединяться не только молекулы воды, но и молекулы других соединений, в частности аммиака.

Обширные исследования таких комплексных молекул и ионов привели ученых к выводу, что комплексообразование представляет собой одно из самых распространенных явлений в химии металлов. Было установлено, что практически ионы всех металлов способны образовывать комплексные соединения с различными молекулами органических и неорганических соединений. Известны, например, следующие соединения: Со(NН₃)6Сl₂, Pt (NH₃)Cl₂, Сr(NН₃)6Сl₃, [NiEn₃]Cl₂ и др. (Символ Еn обозначает молекулу этилендиамина H₂N — CH₂ — СН₂ — NH₂.) Прочно связанные молекулы аммиака или этилендиамина в этих соединениях размещены в непосредственной близости от центрального иона металла — их называют лигандами (что значит "связанные").

Лиганды могут нести электрический заряд, т. е. быть ионами. В таких случаях заряд всего комплексного иона получается алгебраическим суммированием заряда всех лигандов и заряда центрального иона. Примером может служить комплексное соединение иона железа (II) с цианид-ионами CN^-. Комплекс [Fe(CN)₆]^4- имеет отрицательный заряд, так как центральный ион заряжен двумя положительными, а шесть ионов-лигандов несут шесть отрицательных зарядов. Комплексный ион может удерживать четыре однозарядных катиона, например четыре иона калия. Выделенная из раствора комплексная соль имеет состав K₄[Fe(CN)₆].

Число лигандов, располагающихся в непосредственной близости от центрального иона, называют координационным числом иона (сокращенно его обозначают КЧ). Часто встречаются координационные числа 2, 4, 6; числа 3, 5, 7 встречаются крайне редко. Известны и очень большие координационные числа — 8, 12, 18. В таблице 3 приведены некоторые примеры типичных координационных соединений[1] с различными КЧ.