Fiche de Révision : Complexes et Équilibres de Complexation

Introduction

En chimie, un complexe est une espèce chimique constituée d’un ion métallique central entouré par des molécules ou ions appelés ligands. Ces interactions, souvent de coordination, jouent un rôle crucial dans de nombreux domaines : biochimie, catalyse, synthèse organique, géochimie.

L'étude des équilibres de complexation permet de comprendre comment et dans quelles conditions se forment ces complexes, leur stabilité, et leur comportement en solution.

1. Définition des Concepts Clés

1.1 Complexe de coordination

Un complexe est une molécule ou ion constitué d’un ion métallique central auquel sont liés des ligands par des liaisons de coordination (liaisons dative covalentes).

• Ion métallique (centre métallique) : généralement un métal de transition (ex : Fe³⁺, Cu²⁺, Co²⁺)
• Ligand : atome, ion ou molécule possédant une ou plusieurs paires d’électrons libres capables de se lier au métal (ex : NH₃, H₂O, Cl⁻)

1.2 Ligand

Espèce chimique capable de se lier à un métal par coordination grâce à un ou plusieurs doublets d’électrons non liants.

• Ligand monodentate : se lie par un seul atome (ex : NH₃)
• Ligand polydentate ou chélate : possède plusieurs sites de coordination (ex : Éthylènediamine - en)

1.3 Constante de formation (ou stabilité) d’un complexe

Constante d’équilibre associée à la formation du complexe à partir du métal et des ligands en solution.

• Notée [Formule] ou [Formule]
• Grande valeur [Formule] complexe stable

2. Formation des Complexes et Équilibres de Complexation

2.1 Réaction générale de complexation

Soit un ion métallique [Formule] en solution et un ligand [Formule] :

[Formule mathématique]

La formation du complexe est une réaction d’équilibre.

2.2 Constante d’équilibre de formation

La constante de formation globale est définie par :

[Formule mathématique]

Elle traduit la stabilité thermodynamique du complexe.

2.3 Constantes partielles et globale

La formation d’un complexe poly-ligand peut se faire en étapes successives :

[Formule mathématique]

[Formule mathématique]

Ainsi :

[Formule mathématique]

3. Types de Ligands et Leur Influence

• Ligands neutres : NH₃, H₂O
• Ligands anioniques : Cl⁻, CN⁻
• Chelatants : EDTA (acide éthylènediaminetétraacétique), forme des complexes très stables grâce à multiples sites de coordination.

4. Diagrammes d’espèces chimiques en fonction du pH

Le pH influence la forme sous laquelle le métal et les ligands existent, modifiant l’équilibre.

• Exemple : complexation du Cu²⁺ avec NH₃ en solution aqueuse — formation des complexes Cu(NH₃)₄²⁺ selon le pH.

[Diagramme]

Ce diagramme illustre la formation successive des complexes avec augmentation du nombre de ligands.

5. Facteurs influençant la stabilité des complexes

• Nature du métal : Taille ionique, charge, configuration électronique
• Nature du ligand : Données électroniques, polarisabilité, force du ligand (série spectrochimique)
• Effet entropique : Formation de complexes souvent favorisée par une augmentation d’entropie, par exemple quand un ligand chélate remplace plusieurs ligands monodentates
• Effets stériques : encombrement spatial des ligands.
• Solvant : compétition avec l’eau ou autres solvants

6. Applications pratiques

• Analyse chimique : Dosage par complexométrie (ex : EDTA)
• Biochimie : Hèmes contenant Fe, transport de l’oxygène par l’hémoglobine
• Catalyse : Complexes métalliques utilisés comme catalyseurs homogènes
• Traitement des eaux : Complexation des métaux lourds pour leur extraction

7. Exemple de calcul d’équilibre de complexation

En solution aqueuse, savons que :

[Formule mathématique]

Si la concentration initiale de Cu²⁺ et NH₃ est donnée, on peut calculer la concentration en complexe à l’équilibre via la relation :

[Formule mathématique]

Ce type d’exercice nécessite de poser un tableau d’avancement et résoudre l’équation associée.

Synthèse des Points Essentiels

Diagramme résumé des étapes de formation d’un complexe et son équilibre

[Diagramme]

La complexation est progressive et constitue un équilibre entre toutes ces formes.

Conclusion

La compréhension des complexes et des équilibres de complexation est fondamentale pour étudier les interactions entre les métaux et les ligands. Ces équilibres sont gouvernés par des constantes de formation représentant la stabilité relative des différentes espèces. Ce savoir facilite non seulement la maîtrise des réactions en chimie analytique et industrielle, mais aussi la compréhension des systèmes biologiques et environnementaux où les complexes jouent un rôle central.

Cette fiche de révision vous prépare à maîtriser les bases des complexes et des équilibres de complexation, essentiels pour votre parcours en chimie.