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1 Química de Coordenação 4ª aula: Estabilidade de Compostos de Coordenação Profa. Izilda A. Bagatin 2 Estabilidade de Compostos de CoordenaEstabilidade de Compostos de Coordenaççãoão Por que as moléculas de água (reação 1) e amônia (reação 2) são substituídas por amônia e cloreto, respectivamente, nestas reações: [Cu(H2O)6]2+ + 4NH3 [Cu(NH3)4(H2O)2]2+ + 4H2O [Co(NH3)6]3+ + 3Cl- [Co(NH3)3Cl3] + 3NH3 Reação 1 Reação 2 3 Aspectos Termodinâmicos e CinAspectos Termodinâmicos e Cinééticosticos Para a avaliação de reações químicas de Complexos é necessário considerar dois aspectos importantes: • Termodinâmicos • estáveis • instáveis • Cinéticos • lábil • inertes Por que? • Porque uma reação pode ser termodinamicamente possível, mas pode ter restrições cinéticas. 4 Estabilidade de Compostos de CoordenaEstabilidade de Compostos de Coordenaççãoão a estabilidade de compostos de coordenação (complexos metálicos) é dado por duas diferentes variáveis: Estabilidade Termodinâmica: Refere-se a mudança de energia partindo dos reagentes para os produtos. A estabilidade dos complexos é determinada pela energia de ligação metal-ligante (M-L). Estabilidade Cinética: Refere-se a reatividade, geralmente substituição de ligantes. Desta forma, 5 Aspectos TermodinâmicosAspectos Termodinâmicos Os termos Termodinâmicos estável e instável estão relacionados a: energia livre (G), entalpia (H) e entropia (S) das reações que envolvem os complexos. Por exemplo: Reações com ΔG ° negativo, correspondem a constantes de equilíbrio elevadas em direção aos produtos, ou seja, os produtos são considerados mais estáveis que os reagentes ∆G° = -RTln(β) ∆G° = -2.303 RTlog10(β) ∆G° = ∆H° - T∆S° ∆G° é mais negativo quanto mais negativo for ∆H° ou quanto mais positivo for ∆S° 6 Estabilidade TermodinâmicaEstabilidade Termodinâmica Constante de Formação ou Constante de estabilidade A estabilidade termodinâmica de um composto de coordenação geralmente é expressa pela Constante de Equilíbrio (K) da reação. Exemplo: Um exemplo de equilíbrio de coordenação é a reação do Fe(II) com SCN- para formar [Fe(SCN)(OH2)5]2+ (COMPLEXO VERMELHO usado para identificar o íon ferro (III) ou o íon tiocianato) [Fe(OH2)6]3+ (aq) + SCN- (aq) [Fe(SCN)(OH2)5]2+ (aq) + H2O (l) Assim, pode-se escrever a constante de equilíbrio para esta reação: Kf = [Fe(SCN)(OH2)52+] [Fe(OH2)63+][SCN-] Observação: Nas expressões de constantes de equilíbrio e das velocidades de reação, os colchetes que são parte da fórmula dos complexos são omitidos; os colchetes empregados indicam a concentração molar da espécie. 7 Kf = [Fe(SCN)(OH2)52+] [Fe(OH2)63+][SCN-] Kf é a constante de formação (constante de estabilidade) e indica a força de ligação do ligante em relação a H2O. se: Kf é grande – o ligante de entrada liga-se mais firmemente do que o H2O; se: Kf é pequeno – o ligante de entrada liga-se mais fracamente do que o H2O. Como os valores de Kf podem variar numa faixa muito ampla, eles são normalmente expressos pelos seus logaritimos (log Kf). Observação: A concentração da H2O (solvente) não aparece na expressão da constante de equilíbrio porque esta é considerada constante e é absorvida em Kf. Estabilidade TermodinâmicaEstabilidade Termodinâmica 8 Todavia, uma reação nem sempre acontece em uma única etapa. A constante de equilíbrio é escrita para cada etapa. Considere o exemplo: Sumarizando: O log (K) é diretamente proporcional a energia livre da reação. ∆G° = -RTln(β) ∆G° = -2.303 RTlog10(β) ∆G° = ∆H° - T∆S° Estabilidade TermodinâmicaEstabilidade Termodinâmica 9 Substituição de moléculas de água por amônia em torno do íon Cu (II) Se amônia é adicionada numa solução contendo íons de hexaaquacobre (II), [Cu(H2O)6]2+, 4 moléculas de água serão eventualmente substituídas por moléculas de amônia e forma: [Cu(NH3)4(H2O)2]2+. Isto pode ser escrito como uma reação de equilíbrio de coordenação mostrando o efeito total: [Cu(H2O)6]2+ + 4NH3 [Cu(NH3)4(H2O)2]2+ + 4H2O Exemplo: Mas, a água é substituída pela amônia aos poucos, por isso escreve-se a reação de cada etapa (reação parcial) e obtêm-se as constantes de formação seqüenciais (Kfn, onde n = 1, 2, 3, 4, 5, etc.) Estabilidade TermodinâmicaEstabilidade Termodinâmica 10 Reações Parciais: [Cu(H2O)6]2+ + NH3 [Cu(NH3)(H2O)5]2+ + H2O [Cu(NH3)(H2O)5]2+ + NH3 [Cu(NH3)2(H2O)4]2+ + 2H2O [Cu(NH3)2(H2O)5]2+ + NH3 [Cu(NH3)3(H2O)3]2+ + 3H2O [Cu(NH3)3(H2O)5]2+ + NH3 [Cu(NH3)4(H2O)2]2+ + 4H2O [Cu(H2O)6]2+ + 4NH3 [Cu(NH3)4(H2O)2]2+ + 4H2O Reação Global Estabilidade TermodinâmicaEstabilidade Termodinâmica 11 Constantes de formação sequenciais: Kf1 = [Cu(NH3)(H2O)52+] [Cu(H2O)62+] [NH3] [Cu(H2O)6]2+ + NH3 [Cu(NH3)(H2O)5]2+ + H2O Kf1 = 1,78 x 104 • O valor da constante de equilíbrio é grande, sugerindo que tem fonte tendência para formar o íon complexo com uma molécula de amônia. • O valor alto de uma constante de estabilidade mostra que o íon complexo é facilmente formado. • Cada uma das reações parciais tem sua própria constante de estabilidade, Kf2, Kf3 e Kf4. Estabilidade TermodinâmicaEstabilidade Termodinâmica 12 [Cu(NH3)(H2O)5]2+ + NH3 [Cu(NH3)2(H2O)4]2+ + 2H2O Kf2 = [Cu(NH3)2(H2O)42+] [Cu(NH3)(H2O)52+] [NH3] Kf2 = 4,07 x 103 Constantes de formação de todas as etapas Estabilidade TermodinâmicaEstabilidade Termodinâmica 13 Dado os valores da Kf, calcule a constante de formação global (βn ) da reação: [Cu(H2O)6]2+ + 4NH3 [Cu(NH3)4(H2O)2]2+ + 4H2O Constantes de formação de todas as etapas Estabilidade TermodinâmicaEstabilidade Termodinâmica 14 [Cu(H2O)6]2+ + 4NH3 [Cu(NH3)4(H2O)2]2+ + 4H2O Reação Global A constante de formação global é dada por: βn Onde, βn = Kf1Kf2….Kfn βn = [Cu(NH3)4(H2O)4 2+] [Cu(H2O)62+] [NH3]4 βn = 1,2 x 1013 Valores altos de βn indicam reações favoráveis - complexos estáveis; Valores baixos βn indicam reações desfavoráveis – complexos instáveis. Estabilidade TermodinâmicaEstabilidade Termodinâmica 15 As constantes de formação seqüenciais seguem geralmente a ordem Kn > Kn+1 Este decréscimo sucessivo nos valores das constantes de formação seqüenciais é observada devidos diversos fatores: • Estatísticos – baseado nas razões dos números de ligantes disponíveis para a substituição, assumindo-se entalpia de reação como sendo constante. • Aumento da interação estéreos • Neutralização de carga (em caso de ligantes aniônicos) Esta tendência geral também pode ser explicada simplesmente considerando-se o decréscimo do número de moléculas do ligante H2O disponíveis para a substituição na etapa de formação. M(OH2)5L(aq) + L(aq) M(OH2)4L2(aq) + H2O (l) M(OH2)4L2(aq) + L(aq) M(OH2)3L3(aq) + H2O (l) Estabilidade TermodinâmicaEstabilidade Termodinâmica 16 Quando as constantes de formação sucessivas estão na ordem: K1 > K2 > K3 > K4 > .......> Kn o aumento do n° de L aumenta a importância do reverso das reações conforme n aumenta; portanto, a entalpia (ΔH) não é muito afetada, a constante de equilíbrio diminui progressivamente em função do aumento de n, a favor dos reagentes. Para a série do complexo [Ni(OH2)]2+ a [Ni(NH3)6]2+, a entalpia varia menos de 2 kJ mol-1 (16,7 a 18,0 kJ mol-1). Tabela: Constante de formação para Ni(II) aminas n = NH3 pKf K Kn/Kn-1 1 -2,72 K = 102,72 2 -2,17 K = 102,17 0,28 3 -1,66 K = 101,66 0,31 4 -1,12 K = 101,12 0,29 5 -0,67 K = 100,67 0,35 6 -0,03 K = 100,03 0,20 pKf = - log K -2,72 = - log K log K = 2,72 K = 102,72 Logo, isso significa que a mudança estrutural e a ligação no centro metálico é poucopronunciada (pouco afetada). 17 Todavia, desvios podem ocorrer nesta seqüência e indicam uma significativa mudança na estrutura eletrônica do complexo à medida que ligantes são adicionados. Exemplo: [Al(OH2)6-x(F)x](3-x)+ Estabilidade TermodinâmicaEstabilidade Termodinâmica 18 Compostos que há inversão na relação: Kn< Kn+1 Estabilidade TermodinâmicaEstabilidade Termodinâmica 19 Compostos que há inversão na relação: Kn< Kn+1 Fungindo à Regra Mudanças ocorrem na ordem dos valores de Kn em uma reação por mudanças químicas e estruturais: logKf1 = 4,2 logKf2 = 3,7 logKf3 = 9,3 [Fe(OH)6]2+(aq) + bipy(aq) [Fe(bipy)(OH2)4]2+(aq) + 2H2O(l) [Fe(bipy)(OH2)4]2+(aq) + bipy(aq) [Fe(bipy)2(OH2)2]2+(aq) + 2H2O(l) [Fe(bipy)2(OH2)2]2+(aq) + bipy(aq) [Fe(bipy)3]2+(aq) + 2H2O(l) Estabilidade TermodinâmicaEstabilidade Termodinâmica 20 [Fe(bipy)2(OH2)2]2+(aq) + bipy(aq) [Fe(bipy)3]2+(aq) + 2H2O(l) Isso da indícios de mudanças significativas na estrutura eletrônica do complexo à medida que mais ligantes são adicionados. [Fe(bipy)3]2+ É muito mais estável que [Fe(bipy)2(OH2)2]2+ • Isso pode ser correlacionado também pela alteração da configuração eletrônica; • Ocorre um salto de um complexo de spin alto (campo fraco) par um de spin baixo (campo forte): [Fe(bipy)3]2+ [Fe(bipy)2(OH2)2]2+ t42ge2g t62g Ligante de campo forte Ligante de campo fraco H2O Fungindo à RegraEstabilidade TermodinâmicaEstabilidade Termodinâmica 21 Ao contrário, a relação reversa Kn < Kn+1 (K5 < K6) indica maior mudança na estrutura e na ligação do metal central, quanto mais ligantes forem adicionados. Ex: [Fe(bpy)3]2+ é mais estável que o [Fe(bpy)2L2]2+ d6 campo fraco L = H2O eg t2g d6 campo forte L = bpy eg t2g N N N N N N H2 O H2O OH2 OH2 H2O H2O 22 Complexos de Hg(II) com halogênio: diminuição abrupta no valor de Kf3 [Hg(OH2)6]2+ (aq) + Cl- (aq) [HgCl(OH2)5]+ (aq) + H2O Kf1 = 6,74 [HgCl(OH2)5]+ (aq) + Cl- (aq) [HgCl2(OH2)4] (aq) + H2O [HgCl2(OH2)4]+ (aq) + Cl- (aq) [HgCl3(OH2)]- (aq) + 3H2O Kf2 = 6,48 Kf3 = 0,85 Mudança na natureza do complexo – surge uma tetracoordenação octaédrico tetraédrico Estabilidade TermodinâmicaEstabilidade Termodinâmica 23 Constante de dissociação (Kd) • É o inverso da constante de formação (Kf); • Usada, geralmente, para saber a concentração do ligante necessária para produzir uma certa concentração de complexo: REAÇÃO: ML M + L Kd = [M] [L] [ML] = 1/Kf1 • Para reação 1:1 – quando metade dos íons metálicos estiver complexado e metade não, ou seja, [M] = [ML], Kd1 = [L]. • Se [L] >> [M] tem uma mudança insignificante na concentração de L quando M for adicionado e ocorrer complexação; • Assim, Kd é a concentração de ligante necessária para se obter 50% de complexação. Estabilidade TermodinâmicaEstabilidade Termodinâmica 24 Efeito Quelato Efeito quelato é a maior estabilidade de um complexo contendo um ligante polidentado coordenado comparado com um complexo contendo o número equivalente de ligantes monodentados análogos. Compare: • Complexo quelato é três ordens de grandeza mais estável que o complexo não-quelato; • O efeito quelato pode ser correlacionado primeiramente com as diferenças na entropia de reação entre os complexos quelato e não- quelato em soluções diluídas. Estabilidade TermodinâmicaEstabilidade Termodinâmica 25 Efeito Quelato Exemplo: [Cu(en)(OH2)4]2+[Cu(NH3)2(OH2)4]2+ Estabilidade TermodinâmicaEstabilidade Termodinâmica 26 • Nas duas reações ligações Cu-N são formadas, mas a formação do quelato é nitidamente mais favorável. • A primeira tem a entropia de reação mais positiva e conseqüentemente o processo é mais favorável. • A reação de quelação resulta em um aumento no número de moléculas independentes em solução. Efeito Quelato [Cu(OH2)6] + en [Cu(en)(OH2)4]2+ +2H2O log K1 = 10,06 ΔH0 = -54 kJmol-1 ΔS0 = +23JK-1 [Cu(OH2)6] + 2NH3 [Cu(NH3)2(OH2)4]2+ +2H2O log K1 = 7,7 ΔH0 = -46 kJmol-1 ΔS0 = -8,4JK-1 Entalpia relativamente similar Estabilidade TermodinâmicaEstabilidade Termodinâmica 27 Qual complexo é mais estável: [Cu(en)(OH2)4]2+ ou [Cu(EDTA)]2-? Por que? Estabilidade TermodinâmicaEstabilidade Termodinâmica 28 [Cu(OH2)6]2+ + en [Cu(en)(OH2)4]2+ + 2H2O [Cu(OH2)6]2+ + EDTA4- [Cu(EDTA)]2- + 6H2O log Kf = 18,8 7 espécies – entropia muito maior (maior desordem) 3 espécies – entropia menor 2 espécies Estabilidade TermodinâmicaEstabilidade Termodinâmica 29 Efeito Quelato: efeitos estéreos deslocalização eletrônica • Habilidade para formar anéis com o centro metálico, melhorando a estabilidade. • Os efeitos estéreos são importantes na formação dos quelatos e influencia nas constantes de formação porque o fechamento do anel pode ser geometricamente difícil. • os anéis quelatos com cinco membros são geralmente estáveis, uma vez que seus ângulos de ligação são próximos do ideal no sentido que não existe tensão no anel. • Anéis de seis membros são razoavelmente estáveis e podem ser favorecidos se sua formação resultar em uma deslocalização eletrônica. • Os anéis quelatos com três membros, quatro e sete membros (ou maiores) são raramente encontrados, pois normalmente resultam em distorções dos ângulos de ligação e em interações espaciais desfavoráveis. • Aumenta com o número de anéis [Co(NH3)6]2+ < [Co(en)3]2+ < [Co(dien)2]2+ Estabilidade TermodinâmicaEstabilidade Termodinâmica 30 • Complexos contendo ligantes quelatos com estruturas eletrônicas deslocalizadas podem ser estabilizados por efeitos eletrônicos reforçando as vantagens da entropia de quelação. • Adicionalmente, ligantes com anéis aromáticos podem comportar como aceptores π : capacidade que esses ligantes tem de receber elétrons provenientes do átomo central, estabelecendo ligações π (pi); • O ligante tem orbitais π preenchidos e energias mais baixas do que os dos orbitais t2g do metal; • O ligante tem também orbitais vazios que estão disponíveis para a ocupação (orbitais antiligantes, π* que se encontram acima em energia dos orbitais do metal d). O ângulo pequeno da ligação bidentada, imposta por estes ligantes distorce a simetria octaédrica Deslocalização eletrônicaEstabilidade TermodinâmicaEstabilidade Termodinâmica 31 Efeito estEfeito estééricorico Ligantes di-imínicos, tais como bipiridina e fenantrolina, formam anéis de 5 membros quando ligados ao metal. Anéis quelatos com 5 membros são mais estáveis. A maior estabilidade é devido à formação de ligações π com os orbitais d do metal (além de agir como ácidos π e bases σ) N M N CC N N N N 2,2'-bipy 1,10-fenantrolina metal d5 π σ ligante π dz2 dx2-y2 dxy, dxz e dyz 32 Log K1 = 23.9 Log K1 = 28.0Muito mais estável Efeito Macrocíclico Menor mobilidade Estabilidade TermodinâmicaEstabilidade Termodinâmica 33 Natureza do íon metálico A ligação de um ligante ao metal depende do tamanho do íon metálico, sua carga e das propriedades (caráter doador/aceptor) do átomo doador e receptor(mole/duro). • Para os íons dos metais alcalinos e elementos da primeira série de transição a tendência observada é: Ba2+ < Sr2+ < Ca2+ < Mg2+ < Mn2+ < Fe2+ < Co2+ < Ni2+ < Cu2+ > Zn2+ • Esta série de Irving-Williams mostra a variação das constantes de estabilidade para os complexos de íons M2+. • Íons pequenos, em geral, ligam a um dado ligante mais efetivamente. Estabilidade TermodinâmicaEstabilidade Termodinâmica 34 Complexos com íons ferro e mesmo ligante Quais complexos são mais estáveis, complexos com Fe2+ ou Fe3+? Por que? Estabilidade TermodinâmicaEstabilidadeTermodinâmica 35 E = ZA.ZB/4πεor Efeito do aumenta da carga do metal [M(H2O)n]z+ + OH- [M(H2O)n-1(OH)]z+ + H2O Li+ < Mg2+ < Y3+ < Th4+ Fatores Eletrostáticos A estabilidade de um complexo aumenta com aumento da carga do íon metálico (alto poder polarizante). Estabilidade TermodinâmicaEstabilidade Termodinâmica 36 Caráter do átomo doador e receptor • Os elementos receptores da classe (a) são os elementos mais eletropositivos que tendem a formar os seus compostos mais estáveis com ligantes que favorecem a ligação eletrostática e, assim, a sua estabilidade com os íons halogenetos segue a seguinte ordem: F> Cl > Br >I • Os receptores da classe (b), por outro lado, são menos eletropositivos e têm orbitais d relativamente preenchidos e forma os complexos mais estáveis com ligantes que tem orbitais π vazios, disponíveis para acomodar alguma carga transferida dos orbitais d do metal. A ordem de estabilidade em relação aos halogenetos é, agora, a inversa: F< Cl < Br < I Classe a (duros) Intermediários Classe b (moles) Íons metálicos Íons metálicos Íons metálicos Mn2+, Sc3+, Fe3+, Ti4+, Zr4+, Co3+, Cr3+, Y3+, Ln3+, Ac3+ Fe2+, Co2+, Ni2+, Cu2+ Cu+, Ag+, Au+, Hg+, Pd2+, Pt2+, Hg2+, Rh+, Ir+ Estabilidade TermodinâmicaEstabilidade Termodinâmica 37 Qual dos complexos são mais estáveis? Por que? [FeF]2+ ou [HgF]+? [FeBr]2+ ou [HgBr]+ ? Estabilidade TermodinâmicaEstabilidade Termodinâmica 38 Qual dos complexos são mais estáveis? Por que? [FeF]2+ ou [HgF]+? [FeBr]2+ ou [HgBr]+ ? Estabilidade TermodinâmicaEstabilidade Termodinâmica 39 Ácidos duros formam complexos estáveis com bases duras. Ácidos moles formam complexos estáveis com bases moles. Estabilidade TermodinâmicaEstabilidade Termodinâmica 40 Estabilidade TermodinâmicaEstabilidade Termodinâmica 41 Estabilidade CinEstabilidade Cinééticatica • As velocidades das reações são tão importantes quanto o equilíbrio na química de coordenação. Por que alguns íons metálicos trocam de ligantes em segundos enquanto outros podem levar dias para fazer a mesma troca? Lábil Inerte Dois termos cinéticos sugerido por Henry Taube, Nobel de Química em 1983 por estudos de cinética de complexos A velocidade com que um complexo converte-se em outro é governada pelo tamanho da barreira de energia de ativação que existe entre eles. Por convenção: complexos que reagem completamente dentro de 1 minuto são considerados lábeis. Aqueles que reagem acima de 1 minuto são inerte (não lábil). 42 Exemplos: [Ni(OH2)6]2+ é um complexo lábil – possui uma meia vida da ordem de milisegundos antes que a água seja deslocada por uma base forte. [Co(NH3)5(OH2)]3+ é um complexo não-lábil – a água permanece por vários minutos como ligante antes de ser deslocado por uma base forte. Tempos de vida característicos para a troca de moléculas de água nos aquocomplexos Estabilidade CinEstabilidade Cinééticatica 43 • Íons pequenos são frequentemente menos lábeis, pois eles possuem uma maior força de ligação M-L. • Todos os íons complexos de metais do bloco s, exceto (Be2+ e Mg2+), são altamente lábeis. • Todos os complexos de íons M(III) do bloco f são todos muito lábeis. • Os complexos de íons d10 (Zn2+, Cd2+, Hg2+) são normalmente muito lábeis. M+ > M2+ > M3+ As taxas de troca de ligantes são mais rápidos para cátions nesta ordem: Estabilidade CinEstabilidade Cinééticatica 44 Reações de Substituição: labilidade dos complexos Estabilidade CinEstabilidade Cinééticatica 45 Reações de Substituição: labilidade dos complexos Grupo 1 - A labilidade aumenta ao descer no grupo. Grupo 2 • A labilidade aumenta ao descer no grupo. • Menos lábil que os elementos do grupo 1. Grupo 11- 15 • Lábeis • íons pesados +2 (Hg2+ e Cd2+) são mais lábeis que os mais leves. (Zn2+) • elementos com cargas altas são menos lábeis (Al3+/Ga3+) Estabilidade CinEstabilidade Cinééticatica 46 • Ao longo da série 3d, os complexos de íons M(II) do bloco d são geralmente moderadamente lábeis, estando os complexos de Cu(II) distorcidos entre os mais lábeis. • Os complexos de metais d com configuração d3 e d6 de spin baixo (tais como os complexos de Cr (III), Fe (II) e Co (III) são geralmente não-lábeis, uma vez que apresentam valores elevados de EECL. • Os complexos quelato com a mesma configuração, tal como o [Fe(Phen)3]2+, são particularmente inertes. • Os complexos com os elementos da segunda e terceira série de transição são mais cineticamente inertes que os correspondentes da primeira série. Estabilidade CinEstabilidade Cinééticatica 47 A identidade dos ligantes também afetam a velocidade das reações. Ligantes mais rígidos formam complexos mais estáveis M L t½ Diferença Cu2+ en 0.006 s Cu2+ bipy 0.025 s x 3 Cu2+ spartiene 295 min x 106 Ni2+ dien 0.07 s Ni2+ tach 7 min x (6 x 103) Ni2+ TRI 90 days x 108 Estabilidade CinEstabilidade Cinééticatica 48 A troca de Ligantes neutros geralmente é mais rápida que ligantes carregados. Fatores que afetam a labilidade dos complexos • Mudanças nas condições pH, temperatura, força iônica • Mudanças nos ligantes ligantes neutros vs. ligantes carregados monodentados vs. multidentados • Mudanças na acessibilidade exposição ao solvente Estabilidade CinEstabilidade Cinééticatica 49 Complexo Quelato Quelato: múltiplos átomos doadores de um único ligante coordenado ao metal. • Para a dissociação do íon metálico do EDTA a ligação de cada átomo doador precisa ser rompida. • Isto diminui a labilidade e aumenta a estabilidade do complexo. Estabilidade Estabilidade CinCinééticatica
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