Constante de formacion de complejos

Iones complejos

Anteriormente, aprendiste que los iones metálicos en solución acuosa están hidratados, es decir, rodeados por una envoltura de normalmente cuatro o seis moléculas de agua. Un ion hidratado es un tipo de ion complejo (o, simplemente, complejo), una especie formada entre un ion metálico central y uno o más ligandos circundantes, moléculas o iones que contienen al menos un par solitario de electrones, como el ion [Al(H2O)6]3+.

Un ion complejo se forma a partir de un ion metálico y un ligando debido a una interacción ácido-base de Lewis. El ion metálico cargado positivamente actúa como un ácido de Lewis, y el ligando, con uno o más pares de electrones solitarios, actúa como una base de Lewis. Los iones metálicos pequeños y muy cargados, como el Cu2+ o el Ru3+, son los que más tienden a actuar como ácidos de Lewis y, en consecuencia, los que más tienden a formar iones complejos.

Como ejemplo de la formación de iones complejos, considere la adición de amoníaco a una solución acuosa del ion Cu2+ hidratado {[Cu(H2O)6]2+}. Como es una base más fuerte que el H2O, el amoníaco sustituye las moléculas de agua del ion hidratado para formar el ion [Cu(NH3)4(H2O)2]2+. La formación del complejo [Cu(NH3)4(H2O)2]2+ va acompañada de un drástico cambio de color, tal y como se muestra en la figura (\PageIndex{1}). La solución pasa del azul claro del [Cu(H2O)6]2+ al azul-violeta característico del ion [Cu(NH3)4(H2O)2]2+.

Constantes de estabilidad de los complejos de iones metálicos

Un ion complejo está formado por dos partes importantes: el átomo central y los ligandos que lo rodean. El átomo central puede ser cualquier ion metálico (normalmente un metal de transición). Los ligandos son cualquier combinación de aniones que puedan donar un par de electrones, lo que significa que todos son bases de Lewis. Cuando se combinan, forman enlaces covalentes coordinados.

En general, el equilibrio químico se alcanza cuando la velocidad de reacción directa es igual a la velocidad de reacción inversa y puede describirse mediante una constante de equilibrio, \ (K\). Los equilibrios de iones complejos no son una excepción y tienen su propia constante de equilibrio. Esta constante de formación, \(K_f\), describe la formación de un ion complejo a partir de su ion central y los ligandos unidos. Esta constante puede denominarse constante de estabilidad o de asociación; las unidades dependen de la reacción específica que describe. Los valores comunes de \(K_f\) del metal/ligando se tabulan en la Tabla E4.

Los valores de \(K_f\) son muy grandes en magnitud para las reacciones de formación de iones complejos que favorecen fuertemente al producto y muy pequeños para los iones complejos poco formadores. Por ejemplo, observe la reacción de formación del ion complejo dicianoargentato(I)

Constante de equilibrio

Muchos sólidos iónicos poco solubles se disuelven cuando la concentración del ion metálico en la solución disminuye por la formación de iones complejos (poliatómicos) en una reacción ácido-base de Lewis. Por ejemplo, el cloruro de plata se disuelve en una solución de amoníaco porque el ion plata reacciona con el amoníaco para formar el ion complejo [latex]\text{Ag}{left({\text{NH}_{3}\right)}_{2}^{+}[/latex]. La estructura de Lewis del ión [latex]\text{Ag}{izquierda({\text{NH}_3}{derecha)}_{2}^{+}[/latex] es:

El hidróxido de aluminio se disuelve en una solución de hidróxido de sodio u otra base fuerte debido a la formación del ion complejo [latex]\text{Al}{left(\text{OH}\right)}_{4}{}^{-}[/latex]. La estructura de Lewis del ion [latex]\text{Al}{izquierda(\text{OH}{derecha)}_{4}^{-}[/latex] es:

Un ion complejo consiste en un átomo central, típicamente un catión de metal de transición, rodeado de iones, o moléculas llamadas ligandos. Estos ligandos pueden ser moléculas neutras como H2O o NH3, o iones como CN- u OH-. A menudo, los ligandos actúan como bases de Lewis, donando un par de electrones al átomo central. Los ligandos se agregan alrededor del átomo central, creando un nuevo ion con una carga igual a la suma de las cargas y, más a menudo, un ion de metal de transición. Esta disposición más compleja es la razón por la que el ion resultante se denomina ion complejo. El ion complejo que se forma en estas reacciones no puede predecirse; debe determinarse experimentalmente. Los tipos de enlace que se forman en los iones complejos se denominan enlaces covalentes de coordinación, ya que los electrones de los ligandos se comparten con el átomo central. Por ello, los iones complejos se denominan a veces complejos de coordinación. Esto se estudiará más a fondo en los próximos capítulos.

Química compleja

Nota: Si no estás seguro de lo que es una reacción de intercambio de ligandos, sería útil que echaras un vistazo a este enlace antes de continuar. No es necesario que te preocupes por los detalles, pero deberías leer lo suficiente para hacerte una idea de lo que estamos hablando.

Como cualquier otro equilibrio, éste tiene una constante de equilibrio, Kc, salvo que en este caso la llamamos constante de estabilidad. Como se trata de la primera molécula de agua que se sustituye, la llamamos K1.

Los iones siguen haciéndose más estables a medida que se sustituyen hasta 4 moléculas de agua, pero fíjate en que las constantes de equilibrio se van haciendo menos grandes a medida que se sustituyen más y más aguas. Esto es común con las constantes de estabilidad individuales.

Escribe las expresiones para todos los valores individuales (los dos primeros ya están hechos para ti), y luego multiplica esas expresiones entre sí. Verás que todos los términos de los iones intermedios se cancelan para dejarte con la expresión de la constante de estabilidad global.

Ya sea que estés viendo el reemplazo de moléculas de agua individuales o una reacción general que produce el ion complejo final, una constante de estabilidad es simplemente la constante de equilibrio para la reacción que estás viendo.