16.12: Formação de Iões Complexos

Um tipo de química ácido-base de Lewis envolve a formação de um ião complexo (ou um complexo de coordenação) que compreende um átomo central, tipicamente um catião de metal de transição, rodeado por iões ou moléculas chamadas ligandos. Estes ligandos podem ser moléculas neutras como H₂O ou NH₃, ou iões como CN⁻ ou OH⁻. Muitas vezes, os ligandos agem como bases de Lewis, doando um par de eletrões ao átomo central. Esses tipos de reações ácido-base de Lewis são exemplos de uma ampla subdisciplina chamada química de coordenação—o tópico de outro capítulo neste texto.

A constante de equilíbrio para a reação de um ião metálico com um ou mais ligandos para formar um complexo de coordenação é chamada de constante de formação (K_f) (às vezes chamada de constante de estabilidade). Por exemplo, o ião complexo [Cu(CN)₂]⁻ é produzido pela reação

A constante de formação para esta reação é

Alternativamente, a reação inversa (decomposição do ião complexo) pode ser considerada, sendo neste caso a constante de equilíbrio uma constante de dissociação (K_d). De acordo com a relação entre constantes de equilíbrio para reações recíprocas descritas, a constante de dissociação é o inverso matemático da constante de formação, K_d = K_f⁻¹.

Como um exemplo de dissolução por formação de iões complexos, considere o que acontece quando se adiciona amoníaco aquoso a uma mistura de cloreto de prata e água. O cloreto de prata dissolve-se ligeiramente em água, dando uma pequena concentração de Ag⁺ ([Ag⁺] = 1,3 × 10⁻⁵ M):

No entanto, se existir NH₃ na água, o ião complexo, [Ag(NH₃)₂]⁺, pode formar-se de acordo com a equação:

Este texto é adaptado de Openstax, Chemistry 2e, Section 15.2: Lewis Acids and Bases.

Os íons metálicos são sempre hidratado em soluções aquosas. As moléculas de água agem como bases de Lewis, partilhando o seu solitário par de eletróns com os íons metálicos, que comportam-se como ácidos de Lewis. Quando uma base Lewis é mais forte do que a água é adicionada, desloca as moléculas de água e rodeia-se o íon metálico central, formando um íon complexo.

A molécula ou íon atuando como a base de Lewis chama-se de ligação. No cloreto hexamina de cobalto o cobalto hexamínico é um íon complexo, onde as 6 moléculas de amoníaco são as ligações que octalmente rodeiam o íon de cobalto central. Porque os íons metálicos de transição têm uma alta densidade de carga e orbitais d vazios para acomodar eletróns partilhados, são particularmente propensos à formação de íons complexos.

A constante de equilíbrio para a reação entre o íon metálico e a ligação é chamado de a constante de formação, Kf.Quanto maior for o valor de Kf, maior será o valor de Kf.e mais estável o íon complexo. A formação de tal estabilidade de íons complexos frequentemente aumenta a solubilidade de sais de metal moderadamente solúveis. Consideremos o sulfureto de prata, que existe na solução num equilíbrio de íons aquosos sólidos não dissolvidos.

Se for adicionado sulfureto de prata à solução de cianeto de sódio, os íons de prata combinar-se-ão com o cianeto para formar o complexo dicanoargentatos de íons. Se 0, 20 moles de sulfureto de prata for adicionado a um litro de um 0, 90 mol da solução molar de cianeto de sódio, a concentração de equilíbrio de íons de prata, x, pode ser calculado a partir de uma tabela ICE. As concentrações iniciais de prata, cianeto, e íons dicanoargentatos são 0, 20 molar, 0, 90 molar, e 0, respectivamente.

Por causa do elevado Kf, e a concentração muito mais elevada de cianeto comparado a íons de prata, essencialmente todos os íons de prata são convertidos em íons dicanoargentatos. Um íon de prata aquoso reage com 2 íons de cianeto para formar dicanoargentatos. Assim, a alteração na concentração molar de íons cianetos será 2 vezes 0, 20, ou 0, 40 molar.

Assim, a concentração de equilíbrio de íons dicanoargentatos pode ser assumida como sendo a mesma como a concentração inicial da prata, enquanto a concentração de íons de cianeto seria 0, 90 menos 0, 40 molar, ou 0, 50 molar. A substituição destes valores na expressão para Kf produz 0, 2 molar dividido por x vezes 0, 5 ao quadrado. Quando a expressão é resolvida para x, o resultado da concentração é de 8, 0 10-²² molar.

A concentração de equilíbrio de íons de prata muito pequena indica que a formação de íons complexos esgota os íons de prata livre da solução. Isto impulsiona o equilíbrio da prata na solubilidade de sulfureto para os íons, permitindo mais sólido para dissolver.