配位化學與冶金學相同 是技術與美學應用早於科學研究的領域 五彩繽紛的顏色是配位化學的特徵 也是現代社會文化的發展基礎之一 配位化合物的第一個應用 可能是在印度使用的鮮紅色茜素染料 茜素具有羥基 藉由鋁離子和纖維上的氧形成錯合物 且不容易因為洗滌衣物而脫落 配位化合物的另一個例子是普魯士藍 化學式為Fe₄ ₃ 是德國化學家狄斯巴赫 在製備紅色顏料時意外發現的 這種新的藍色顏料迅速的商業化 自18世紀初以來 一直被藝術家視為優良藍色顏料 第一幅使用這個顏料的畫作 是畫面上由荷蘭畫家 於 1709 年創作的 〈基督的埋葬〉 但這些奇特的化合物到底是怎麼一回事呢？ 讓我們繼續看下去 在發現普魯士藍的合成方法後 法國科學家塔薩厄爾 在進行鈷離子相關的實驗時 想把鈷離子用鹼沉澱出來 因為氫氧化鈉用完了 改用氨水取代 但發現得不到沉澱物 反而在隔天析出橙黃色的晶體 分析以後得知是CoCl₃∙6NH₃ 接著科學家們陸續發現鈷離子 還可以形成CoCl₃∙5NH₃ CoCl₃∙4NH₃ CoCl₃∙3NH₃等化合物 但即使經過了很多努力 還是無法製備CoCl₃∙2NH₃和 CoCl₃∙NH₃ 當時的化學家們 還無法解釋這些化合物的結構和性質 僅能就顏色的差異 導電性等特性進行觀察 有些化合物只有一種顏色 但有些化合物 例如：CoCl₃∙4NH₃與CoCl₃∙3NH₃ 則有兩種不同的顏色 導電性則是隨著NH₃量的減少而隨之遞減 但當時的化學家們 試圖將逐漸發展成熟的有機化學結構研究 應用在這些化合物上 1869年布隆斯特蘭德 根據有機的ₓ形式的長碳鏈 提出了複雜離子鍵理論 並經丹麥科學家約根森 修正成氨鏈的表示法 他的理論內容 是這些化合物中的三價的鈷離子 只會形成三個鍵 所以在鈷錯合物CoCl₃•6NH₃ 中 三價的鈷離子只會形成三個鍵 多出了6個氨會形成鏈狀的結構 而氯離子會在氨鏈的末端 因為接在氨上的3個氯離子 距離鈷離子很遠 所以容易解離 並和硝酸銀產生氯化銀沉澱 CoCl₃•5NH₃因為少了一個氨 有一個氯離子會直接與鈷離子鍵結 所以這個氯離子不會解離 也不會和硝酸銀產生氯化銀沉澱 現代化學對於化學鍵的形成 已經有了透徹的了解 對於這個理論模型當然覺得難以置信 但這個理論並非完全不合邏輯 請根據上述說明 試著評估這個理論模型 一、此模型可否解釋 CoCl₃•4NH₃與過量銀離子產生的AgCl沉澱數目比？ 二、此模型可否解釋 CoCl₃•3NH₃與過量銀離子產生的AgCl沉澱數目比？ 三、請舉出兩個這個模型無法解釋的問題 這個理論雖然還有很多不足之處 但是在研究的過程中 約根森製備了許多配位化合物 為後續的理論發展提供了充足的實驗基礎 完善配位化學理論的 是瑞士科學家維爾納 他在擔任瑞士蘇黎世大學教授時 沉迷於解決配位化合物的結構之謎 1891年 年僅25歲的他在半夜醒來 靈光一閃 僅花了幾個小時 就奠定了現代配位化學的基礎 並在1913年獲得了諾貝爾化學獎 維爾納的配位化學理論 大家在前面的影片都已經學過了 根據維爾納提出的理論 三價的鈷離子並非只會形成三個鍵 而是形成了六個鍵 成功解釋了CoCl₃∙3NH₃ 即使加入過量硝酸銀 也無法產生AgCl沉澱的實驗結果 但讓維爾納的新理論 獲得科學家的認同 主要是對配位化合物形狀的判斷和異構物解釋 當時許多通式為MA₄B₂的錯合物 已經被製備出來了 但不論M是何種金屬 異構物的數目都不會超過兩種 根據實驗的結果 維爾納進行了嚴謹的推理 並成功判斷出錯合物的形狀 他是如何推理的呢？ 讓我們來一起試試看！ 六配位錯合物 MA₄B₂三種最對稱的可能結構為 六邊形、三角柱和八面體 一、試計算六配位錯合物 MA₄B₂為六邊形、三角柱和八面體時 最大可能的異構物數目分別為多少個？ 二、已知通式為MA₄B₂的錯合物 不論中心金屬粒子M是何種金屬 異構物的數目都不會超過兩種 根據此一實驗結果 六配位錯合物的可能結構為何？ 假設形狀為六邊形 六邊形頂點位置都先放置A 若將1號位置改成B 則另一個B的可能位置為 、和 所以共有三種異構物 假設形狀為三角柱 三角柱頂點位置都先放置A 若將1號位置改成B 則另一個B的可能位置為 和1在同一個三角面上的2和3 或在另一個三角形面上 但不與 1 相鄰的5或6 最後一個位置則是4 所以共有、、三種 假設形狀為八面體 同樣的八面體頂點位置都先放置A 若將1號位置改成B 則另一個B只有兩種選擇 位置2（或3、4 、5）或位置6 也可以看成兩個B粒子彼此相鄰 和彼此位於對角位置兩種情況 B粒子相鄰的結構稱為順式 B粒子位於對角的結構稱為反式 第二小題中 紫色的Cl就是順式的異構物 綠色的則是反式的異構物 綠色的則是反式的異構物 當時的實驗結果顯示 MA₄B₂錯合物的異構物的數目都不會超過兩種 所以六配位錯合物的可能結構 以八面體解釋是最為合理的 四配位錯合物MA₂B₂兩種最對稱的可能結構為 平面四邊形和四面體 一、試計算四配位錯合物 MA₂B₂ 為平面四邊形和四面體時 最大可能的異構物數目分別為多少個？ 二、已知沒有異構物 有兩種異構物 請分別判斷這兩個化合物的結構 根據推理結果 沒有異構物 所以四面體是最合理的結構 有兩種異構物 所以平面四邊形為最可能的結構 其中B粒子相鄰的結構稱為順式 B粒子位於對角的結構稱為反式 順式的呈現橘紅色 稱之為「順鉑」 反式的則呈現黃色 上述的順鉑在1845年即被合成 1893年維爾納也研究了它的結構 但卻一直沒有發現它的用途 直到20世紀的60年代 用鉑電極做電解反應時 對大腸桿菌的繁殖有抑制作用 發現鉑化合物的抗癌活性 順鉑的效果則是最好的 而帶動了金屬錯合物在醫學領域的發展 對於癌症治療具有革命性的意義 但分子式相同的反式化合物 則不能治療癌症 反而對人體是有毒害的 這是為什麼呢？ 同學們可以進一步查詢資料 並在影片下方留言處寫下你的答案喔！