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Autor: Dr Gilberto Maia de Brito. Compostos de coordenação.
Tipologia: Notas de aula
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Complexo: não é possível dar uma definição exata do que seja um composto de coordenação (ou complexo), mas pode-se dizer que ele apresenta uma espécie central ligada a íons ou moléculas denominadas ligantes, formando uma ligação covalente coordenada (dativa). Espécie central: cátion, ânion ou átomo neutro (na maioria das vezes um metal de transição) que são capazes de aceitar elétrons dos ligantes (ácidos de Lewis) Ligantes: íons ou moléculas que tem a capacidade de doar elétrons para o átomo central (bases de Lewis) Os compostos de coordenação podem ser: Neutros: [Ni(CO) 4 ] Iônicos: K 4 [Fe(CN) 6 ], [Cu(H 2 O) 4 ]SO 4 TEORIA DE WERNER A teoria de Werner, proposta em 1893, foi a 1ª tentativa de explicar a ligação existente em compostos de coordenação. Por exemplo: porque um sal estável como o CoCl 3 reagiria com um nº variável de moléculas de NH 3 , para formar diversos novos compostos como CoCl 3 .6NH 3 , CoCl 3 .5NH 3 e CoCl 3 .4NH 3? Composto Cor Fórmula atual CoCl 3 .6NH 3 Amarelo [Co( NH 3 ) 6 ]Cl 3 CoCl 3 .5NH 3 Púrpura [Co( NH 3 ) 5 Cl]Cl 2 CoCl 3 .4NH 3 Violeta (trans) [Co( NH 3 ) 4 Cl 2 ]Cl CoCl 3 .4NH 3 Verde (cis) [Co( NH 3 ) 4 Cl 2 ]Cl CoCl 3 .6NH 3 + Ag
3 AgCl(s) CoCl 3 .5NH 3 + Ag+^ 2 AgCl(s) CoCl 3 .4NH 3 + Ag
1 AgCl(s) Valência Primária: hoje chamada de nº de oxidação Valência Secundária: hoje chamada de nº de coordenação (nº de ligantes ou átomos doadores aos quais o metal se encontra diretamente ligado) Werner com o seu trabalho sobre os complexos, conseguiu prever a geometria de alguns compostos que mais tarde foram confirmadas por difração de Raios-X. TIPOS DE LIGANTES Monodentados: quando um ligante se encontra ligado ao átomo central através de um único átomo doador. Ex.: Cl-, H 2 O, NH 3 , etc. Bidentado: quando um ligante se encontra ligado ao átomo central através de dois átomos doadores. Ex.: Etilenodiamina (en) H 2 NCH 2 CH 2 NH 2 Polidentado: quando vários átomos doadores se encontram presentes em um mesmo ligante. Ex.: Dietilenotriamina (dien) HN(CH 2 CH 2 NH 2 ) 2 Quando um ligante bi ou polidentado se liga a um único átomo central, diz-se que ele forma
Nos compostos de coordenação, os elementos de transição podem exibir NC que variam de 2 a 12. No entanto, os mais comuns são 4, 5 e 6. NC 2: os complexos com NC=2 são lineares e praticamente se restringem aos cátions: Cu
, Ag
, Au+^ e Hg+2, todos com configuração d^10. Ex.: [CuCl 2 ]-; [Ag(NH 3 ) 2 ]+; [AuCl 2 ]-^ e HgCl 2. NC 3: a coordenação tripla é rara entre os complexos metálicos. Aparece normalmente em complexos com ligantes volumosos, como o amideto [N(Si(CH 3 ) 3 ) 2 ]
} 3 ], M= Fe, Cr NC 4: este tipo de coordenação é encontrada em um grande número de compostos e podem apresentar geometria tetraédrica ou quadrática. Os complexos com geometria tetraédrica ocorrem com metais que não possuam configuração d 8 (ou s 1 d 7 ). Ex.: Os complexos quadráticos são característicos dos metais de transição com configuração d^8. Ex.: NC 5: envolve complexos onde as geometrias são a piramidal quadrática e a bipirâmide trigonal. Ex.: [Ni(CN) 5 ]-3^ e [Fe(CO) 5 ] NC 6: são numerosos entre os complexos. Sua geometria é octaédrica, mas algumas vezes apresenta-se distorcida. É o arranjo mais comum para metais com configuração d 0 -d 9 . Ex.: [Cr(NH 3 ) 6 ]
(d 3 ); [Mo(CO) 6 ] (d 6 ); [Fe(CN) 6 ]
(d 5 )
alquila amina alcóxido alceno fenila (^3) -ciclopropenila 2 2 3 -alila 2 n 2 2 Olefinas não conjugadas
Os ligantes são classificados de acordo com o número de elétrons que eles doam formalmente ao centro metálico.
OBS.: O prefixo n antes do nome de ligantes insaturados, indica o número de átomos de carbono que interagem com o metal central. REGRA DOS DEZOITO ELÉTRONS Os elementos do grupo principal formam compostos estáveis quando atingem a configuração de gás nobre. A razão do ganho de estabilidade está associada ao preenchimento de todos os orbitais de valência. Para um elemento da 1ª série, isto corresponde ao preenchimento dos orbitais 2s e 2p. Uma vez que cada orbital pode conter no máximo dois elétrons, oito elétrons são necessários ao todo. Daí advém a regra do octeto para os compostos dos elementos principais. Na essência, a regra é a mesma para os elementos do bloco d. Entretanto, os elementos do bloco d possuem nove orbitais de valência (1s, 3p e 5d) resultando em um total de 18 elétrons. A regra dos 18 elétrons estabelece que um complexo estável seja obtido quando: elétrons d do metal + elétrons dos ligantes + carga total do complexo = 18. A maneira mais simples de se fazer esta contagem de elétrons é a que considera o metal com estado de oxidação zero e os ligantes como radicais neutros. Na prática, basta somar o número de elétrons do metal (dado pelo grupo a que pertence o metal na TP), com o número de elétrons dos ligantes (conforme a classificação vista anteriormente) e com a carga do complexo. Então: E = m + x + 2n - q Onde: E = nº elétrons do complexo m = nº elétrons da camada de valência do metal x = nº de ligantes tipo X n = nº de ligantes tipo L q = carga do íon complexo V = valência NC = nº de coordenação Se: E = 18 elétrons complexo estável E < 18 elétrons complexo reativo; sofre redução; aumenta a coordenação E > 18 elétrons complexo reativo; sofre oxidação; diminui a coordenação Exemplo: [Cr(CO) 6 ] Cr pertence ao grupo 6, logo possui 6 elétrons de valência E = 6 + 0 + 2x6 0 = 6 + 12 = 18 elétrons V = 0 + 0 = 0 NC = 0 + 6 = 6 Para treinar: [Ni(PPh 3 ) 4 ]; [CrBz (CO) 3 ]; [Rh(Cp) 2 ]+; [W Br 3 (CO) 4 ] OBS.: Quando existe ligação metal-metal, considera-se que cada metal atua como um ligante X ( elétron). Ex.: (CO) 5 Mna-Mnb(CO) 5 Mna = 7 + 1 + (5x2) = 18 elétrons Mnb = 7 + 1 + (5x2) = 18 elétrons Exceções a regra dos dezoito elétrons: são normalmente complexos ricos em elétrons derivados de metais com configuração d 8
. Estes preferem formar complexos quadráticos com 16 elétrons. São em geral complexos contendo os seguintes metais: Rh(I), Ir(I), Ni(II), Pd(II) e Pt(II). Ex.: [RhCl(PPh 3 ) 3 ] V = x + q NC = x + n
[Co(SO 4 )(NH 3 ) 5 ]Br + Ba 2+ não reage [CoBr(NH 3 ) 5 ]SO 4 + Ba2+^ BaSO 4 (s) Isomeria de Solvatação Semelhante a isomeria de ionização, porém no caso da isomeria de solvatação, um ligante neutro é trocado por um ligante aniônico. Ex.: [Cr(H 2 O) 6 ]Cl 3 violeta [Cr Cl(H 2 O) 5 ]Cl 2 .H 2 O verde claro [Cr Cl 2 (H 2 O) 4 ]Cl.2H 2 O verde escuro Quando estes complexos são dissolvidos em água os cloretos complexados são substituídos por água, resultando em mudanças de coloração de verde para verde claro e em seguida para violeta. Isomeria do Ligante É comum encontrar complexos isômeros devido ao isomerismo entre os ligantes. Por exemplo com complexos com ligantes contendo NMe 3 e NH 2 Pr. Ni N H N O H O Ni N H N O H O Isomeria de Polimerização Compostos que tenham a mesma fórmula empírica mas diferentes múltiplos de massa molecular. Ex.: [Pt Cl 2 (NH 3 ) 2 ] com [Pt(NH 3 ) 4 ][PtCl 4 ] e [Pt(NH 3 ) 4 ][PtCl 4 ] [Pt 2 Cl 4 (NH 3 ) 4 ] [Pt 3 Cl 6 (NH 3 ) 6 ] Isomeria Geométrica ESTEREOISOMERIA Isomeria Politopal Isomeria Ótica Isomeria Geométrica Apenas um composto é possível para complexos tetraédrico [MA 2 B 2 ]. Entretanto, para compostos quadrados existem 2 isômeros para complexos de fórmula geral [MA 2 B 2 ]. Ex.: Pt H 3 N Cl H 3 N Cl Cis Pt Cl NH 3 H 3 N Cl Trans
Isômeros geométricos também são comuns em compostos de coordenação com NC=6. Ex.: Cl Co N N Cl N^ N Cis Cl Co Cl N N N^ N Trans Em complexos como [Co Cl 3 (NH 3 ) 3 ] há duas maneiras possíveis de arranjar os ligantes: Co Cl NH 3 Cl H 3 N NH 3 Cl Mer Co Cl Cl NH 3 Cl NH 3 NH 3 Fac Isomeria Politopal Ocorre em complexos tipo [Ni(CN) 5 ] 3- nos quais as estruturas cristalinas mostram ambas estruturas para número de coordenação 5: CN Ni CN
Bipirâmide trigonal
Ni
Pirâmide de base quadrada Isomeria Ótica Em comp quirais. Complexos tetraédricos têm potencial para isomerismo ótico somente em compostos derivados do carbono. Em compostos de coordenação é raro ter compostos tetraédricos com 4 substituintes diferentes. Em geral são lábeis. Isomeria ótica é observada em complexos octaédricos contendo ligantes quelatantes (bidentados).
Cloro Fluoreto F
Fluoro Hidrogenoperóxido HO^2 -^ Hidrogenoxo Hidrogenossulfeto HS-^ Mercapto Hidróxido OH
Hidroxo Metóxido H 3 CO Metoxo Oxalato C 2 O 42 -^ Oxalato Óxido O
Neste caso a colocação de parênteses em metilamina torna-se imprescindível para evitar a ambigüidade com triclorometilamina (Cl 3 NCH 3 ), portanto, o nome correto deste complexo é: diamintricloro(metilamina)cobalto(III). [Ru(HPO 4 ) 2 (OH) 2 (NH 3 ) 2 ]3-^ íon diamindihidrogenofosfatodihidroxirutenato(III) Neste exemplo existem duas letras h no interior do nome e uma letra r precedida de vogal, o que está em desacordo com as regras de ortografia da língua portuguesa. A forma correta implicaria na supressão dos h e na duplicação do r, ou seja: diamindiidrogenofosfatodiidroxirrutenato(III). É preferível, entretanto, por uma questão de clareza, preservar a identidade dos constituintes através de parênteses: diaminbis(hidrogenofosfato)di(hidroxi) rutenato(III). f) As seguintes recomendações se aplicam ao uso das abreviações: a) Quando se tratar de publicações, o significado de cada abreviação deve ser escrito por extenso. Exemplo: en etilenodiamina. b) As abreviações devem ser curtas, não mais que quatro letras e não devem conter hífens. Exemplo: phen e não o-phen (para 1,10-fenantrolina). c) Deve-se procurar evitar confusões com abreviações comumente aceitas, tais como Me (metil), Et (etil), Ph (fenil), etc. d) Com exceção de algumas abreviações do tipo H 4 edta, H 2 ox e L (ligante), todas as abreviações devem ser feitas com letras minúsculas. A abreviação genérica para metal é M, para íons lantanídeos é Ln e para os íons actinídeos é An.
Segundo Pauling, a formação de um complexo pode ser vista como uma reação entre um ácido de Lewis (espécie central) e uma base de Lewis (ligante), formando uma ligação covalente coordenada entre essas espécies. Para explicar a geometria dos compostos, Pauling propôs que os orbitais atômicos da espécie central sofram hibridização, de tal forma que os novos orbitais atômicos híbridos (OAH) tenham a simetria do complexo. Então, pares de elétrons doados pelos ligantes, entram em OAH do íon central. Mas em quais orbitais? Isto depende do número de coordenação e da geometria do complexo: NC Geometria Hibridização Exemplo 2 Linear sp [Cu(NH 3 ) 2 ]
4 Tetraédrica sp 3 [Zn(NH 3 ) 4 ]
4 Quadrática dsp^2 [Ni(CN) 4 ]-^2 6 Octaédrica d^2 sp^3 ou sp^3 d^2 [Cr(NH 3 ) 6 ]+ NC = nº de orbitais atômicos híbridos Regras para determinar o número de orbitais atômicos híbridos: 1º) Determinar o número de coordenação. Se for 4, saber a geometria e/ou magnetismo. 2º) Determinar a carga do metal e o número de elétrons de valência. 3º) Colocar os elétrons de valência nos orbitais de menor energia disponíveis. Se for o caso, emparelhados. Os princípios envolvidos na ligação química nos complexos dos metais de transição, não diferem daqueles que prevalecem em outros compostos. Entretanto, como os metais de transição possuem orbitais d parcialmente preenchidos, surgem peculiaridades que tornam conveniente um tratamento à parte da ligação química nos compostos desses metais. Para entendermos os diferentes modelos teóricos desenvolvidos, é necessário conhecermos as formas e orientações dos orbitais d no espaço.
Limitações da TLV: a TLV foi muito popular durante 20 anos, pois ela racionalizou as geometrias e propriedades magnéticas observadas nos complexos. Entretanto, não foi capaz de prevê-las nem de justificá-las. Não pode explicar porque alguns complexos de Ni(II) são octaédricos e outros tetraédricos Porque alguns ligantes formam complexos mais estáveis que outros? Não explica a cor e as características espectrais dos complexos Existe um problema adicional: devido à doação de elétrons dos ligantes para o átomo central, esse fica excessivamente negativo, o que não é normal para um metal. TEORIA DO CAMPO CRISTALINO (TCC) Essa teoria postula que a única interação existente entre o íon central e os ligantes é de natureza eletrostática, onde os ligantes são considerados cargas pontuais. COMPOSTOS OCTAÉDRICOS Essa interação diferenciada : Um íon metálico está situado na origem de um sistema de eixos cartesianos e seis ligantes aproximam-se segundo os eixos, criando um campo elétrico octaédrico. Haverá interação eletrostática entre os elétrons dos orbitais d e os ligantes. A interação, porém, não será igual para os cinco orbitais d. A interação será maior para os orbitais que têm seus lóbulos dirigidos segundo os eixos cartesianos (orbitais eg).
Determinação da energia correspondente a 10 Dq Vamos considerar o caso mais simples, de um complexo de configuração d 1 : [Ti(H 2 O) 6 ]
. 1kJ/mol = 83,7 cm
Fatores que influenciam o valor de 10 Dq a) Número de oxidação do metal quanto maior o número de oxidação do íon metálico, maior o valor de 10 Dq. b) Período do metal quanto maior o período, maior o valor de 10 Dq. c) Simetria do campo ligante quanto maior o número de ligante, mais forte o campo. d) Natureza do ligante ligantes diferentes desdobram o campo em extensões diferentes. Experimentalmente, foi possível ordenar um grande número de ligantes de acordo com os valores crescentes de 10 Dq. A série obtida recebeu o nome de série espectroquímica. I-<Br-<S-2<Cl-<NO 3 - <F-<OH-<EtOH<Ox<H 2 O<EDTA<Py=NH 3 <em<Dipy<NO 2 - <PPh 3 <CN-<CO Campo Fraco Campo Forte Para complexos de um mesmo íon, os valores de 10 Dq variam de acordo com a posição do ligante na série espectroquímica. Configuração Íon P (kJ/mol) Ligante 10 Dq (kJ/mol) Spin d 5 Mn
290 6 Cl
230 6 H 2 O 120 Alto 6 CN-^390 Baixo d^6 Co+3^280 6 H 2 O 250 Baixo 3 en 280 Baixo 6 CN-^410 Baixo COMPOSTOS TETRAÉDRICOS Para melhor visualizar a coordenação tetraédrica, podemos imaginá-la como derivada da coordenação cúbica, onde apenas 4 ligantes se aproximam do íon metálico segundo os vértices do cubo. Percebe-se que nenhum dos ligantes está exatamente na direção dos orbitais. Entretanto, eles se aproximam mais dos orbitais t 2 do que os orbitais e. O diagrama de níveis de energia correspondente é o inverso da coordenação octaédrica. O desdobramento do campo cristalino é menor. Por isto, até hoje só foram encontrados complexos com spin alto. Metais com configuração d 0 , d 5 (spin alto) e d 10 .
Os complexos quadráticos, onde 4 ligantes estão arranjados ao redor do íon metálico em um plano, podem ser visualizados como formados pela remoção de dois ligantes ao longo do eixo z do complexo octaédrico. O orbital dz2 é agora mais baixo em energia do que o dxy, porque os ligantes ao longo do eixo z foram removidos. Os complexos quadráticos são característicos de íons metálicos com configuração d 8
. São quase sempre de spin baixo e diamagnéticos. LIMITAÇÕES DA TCC A TCC é bem sucedida em explicar as formas dos complexos, de seus espectros, de suas propriedades magnéticas e de sua estabilidade. A desvantagem é o fato de ela ignorar as evidências de que interações covalentes ocorrem em muitos complexos: Compostos com o metal no estado de oxidação zero e com ligantes não aniônicos como [Ni(CO) 4 ], não apresentam nenhuma atração eletrostática entre o metal e os ligantes. Portanto, a ligação deve ser covalente. A ordem dos ligantes na série espectroquímica não pode ser explicada apenas considerando-se as forças eletrostáticas. Por exemplo: porque H 2 O é um ligante de campo mais forte que OH
? Porque CO é um ligante de campo mais forte de todos se é uma molécula neutra? TEORIA DO ORBITAL MOLECULAR (TOM) A abordagem inicial da TOM para complexos octaédricos pode ser resumida nos seguintes passos: 1º) Identificar os orbitais atômicos de valência 2º) Combinar os orbitais atômicos de modo a obter OML e OMAL Vamos considerar primeiro somente as ligações sigmas. A espécie metálica participa com 9 orbitais atômicos (1 ns, 3 np e 5 (n-1)d) e cada ligante com um orbital atômico, totalizando 6 orbitais dos ligantes. Assim teremos 15 orbitais atômicos de valência.