برای شکل گیری مولکول های معدنی نظریه های مختلفی وجود دارد که از جمله معروف ترین و مهم ترین آن ها می توان به نظریه کئوردیناسیون ورنر، نظریه پیوند ظرفیت (VBT)، نظریه میدان بلور (CFT)، نظریه میدان لیگاند (LFT) و نظریه اوربیتال مولکولی (MO) اشاره کرد. هر یک از این نظریه ها سعی دارد تا نحوه و چگونگی ساختار کمپلکس ها را توصیف کرده و درباره خواص آن ها اطلاعاتی ارائه کند.
در هر یک از این نظریه ها یک پارامتر خاص مورد توجه قرار گرفته و بررسی می شود. در این مقاله قصد داریم تا به شرح و بررسی نظریه کئوردیناسیون ورنر بپردازیم. این نظریه در سال 1913 موفق به دریافت جایزه نوبل شده و نام آلفرد ورنر که در آن هنگام تنها 26 سال سن داشت را بر سر زبان ها انداخت. جالب است بدانید که این جایزه نوبل، اولین جایزه نوبل در شاخه شیمی معدنی است.
نظریه ورنر چگونه ساخته شد؟
ورنر برای ارائه این نظریه در حدود 800 کمپلکس مختلف را سنتز کرده و مورد بررسی قرار داد. روش او برای انجام تحقیقاتش مبتنی بر دو روش وزن سنجی و هدایت سنجی بود. اما او چگونه کار می کرد؟
روش وزن سنجی برای نظریه کئوردیناسیون ورنر
ورنر برای ارائه نظریه کئوردیناسیون خود از ساخت کمپلکس های کلر و آمونیاک استفاده کرد. او ابتدا کمپلکسی با 6 لیگاند آمونیاک می ساخت و سپس 6 کمپلکس دیگر که به ترتیب 5 و 4 و 3 و 1 و 1 و 0 لیگاند آمونیاک داشتند می ساخت. سپس هر یک از این کمپلکس ها را تحت واکنش با نیترات نقره قرار می داد تا رسوب نقره کلرید ایجاد شود. او با وزن سنجی نقره کلرید به دست آمده می توانست تعداد لیگاند های کلر را تعیین کند. اما چگونه؟
فرض کنید که ورنر قصد دارد تا ساختار کمپلکسی از کبالت را مورد مطالعه قرار دهد. او ابتدا یک کمپلکس می سازد که همه لیگاند هایش آمونیاک است. سپس با استفاده از محلول نقره نیترات، بررسی می کند تا مطمئن شود که هیچ کلری در کمپلکس ساخته شده اش وجود نداشته باشد.
سپس کمپلکسی با 5 لیگاند آمونیاک و 1 لیگاند کلر می سازد و مجدد با استفاده از محلول نقره نیترات سعی می کند تا مطمئن شود که یک لیگاند کلر در مولکول ایجاد شده است. او یک مول نقره نیترات را با یک مول از کمپلکس ساخته شده اش واکنش می دهد و اگر یک مول نقره کلرید به دست آورد؛ مطمئن می شود که در ساختار کمپلکس ساخته شده اش یک لیگاند کلر ایجاد شده است.
او به همین ترتیب کمپلکس هایی با 2 و 3 و… لیگاند کلر می سازد و سپس با استفاده از محلول نقره نیترات، درست بودن کمپلکس ساخته شده اش را بررسی می کند. این بررسی آن قدر ادامه پیدا می کند تا دیگر در تیتراسیون های وزن سنجی اش، نقره کلرید به حد ثابتی برسد و بیش از آن مصرف نشود.
حال با داشتن تعداد مول هایی که از نقره نیترات مصرف شده است؛ می توان تعداد لیگاند های کلر را گزارش کرد. با استفاده از این روش می توان برای کمپلکس های دیگر نیز بررسی هایی انجام داد که با استفاده از آن ها بتوان تعداد لیگاند های کلر را تشخیص داد. در این صورت به راحتی می توان گفت که در یک کمپلکس مشخص، چه تعداد لیگاند کلر وجود دارد. و همچنین می توان فهمید که حداکثر تعداد لیگاند های کلر ممکن برای یک فلز خاص چقدر است.
با استفاده از این دانسته ها می توان درباره شکل کمپلکس های مختلف بررسی و مطالعه انجام داد. مثلا می توان فهمید که اتم پلاتین می تواند 4 لیگاند کلر بپذیرد در حالی که اتم کبالت می تواند تا 6 لیگاند را نیز پذیرا باشد. در تصویر زیر تعدادی نمونه که به دست او ساخته شده و برچسب زده شده است را مشاهده می کنید.
روش دیگری که ورنر برای بررسی ساختار کمپلکس ها مورد بررسی قرار داد روش هدایت سنجی بود. اما او چگونه از هدایت سنجی استفاده کرد؟
روش هدایت سنجی برای نظریه کئوردیناسیون ورنر
همانطور که می دانید؛ هدایت یک خاصیت کولیگاتیو به حساب می آید؛ یعنی هدایت یک محلول به تعداد یون های آزاد شده درون آن محلول بستگی دارد و به جنس و شکل و… یون ها ربطی ندارد. ورنر توانست با یک سری محاسبات ریاضی، متوجه شود که به ازای یک لیگاند خاص، چه میزان هدایت الکتریکی در محلول ایجاد می شود. بر همین اساس توانست تا تعداد لیگاند های یک کمپلکس را محاسبه کند.
سپس سه اصل کلی را به عنوان اصول سه گانه ای برای تشخیص شکل کمپلکس ها مطرح کرد.
اصول نظریه کئوردیناسیون ورنر
- بیشتر عناصر دارای دو ظرفیت هستند؛ یکی ظرفیت بالا (والانس اولیه یا اصلی) و یکی ظرفیت پایین (والانس ثانویه یا فرعی).
- تمامی عناصر تمایل دارند تا هر دو ظرفیت خود را کامل کنند.
- والانس یا همان ظرفیت فرعی (امروزه به آن عدد کئوردیناسیون می گوییم) دارای موقعیت های فضایی ثابتی است که توسط مولکول های خنثی و یا یون ها اشغال می شود.
