Définition d’un complexe de coordination
Un complexe ou composé de coordination est un assemblage polyatomique formé d’un atome central, généralement un cation métallique autour duquel des atomes, des ions ou des molécules sont liés par coordination. Ces derniers sont appelés ligands ou coordinats. Suivant la nature et la charge de chacun des composants du complexe, celui-ci peut être neutre ou chargé positivement ou négativement. Le plus souvent le métal est chargé positivement (oxydé). C’est donc une association entre un acide de Lewis M et une base de Lewis L pour former une liaison covalente de coordination. L’atome central est un acide de Lewis, il possède plusieurs lacunes électroniques (orbitales vides). Les ligands sont donc des bases de Lewis, ils possèdent un ou plusieurs doublets d’électrons libres. Dans l’exemple ci-dessus Cu+ est un acide de Lewis et NH3 une base de Lewis.
Les ligands
Un ligand peut être un ion ou une molécule. Le ligand est caractérisé par l’atome qui se coordonne (l’atome donneur) au métal ainsi que par les substituants qu’il porte. Dans le cas des complexes métalliques la liaison métal-ligand est assurée par un (ou plusieurs) doublet(s) d’électron(s) apportés par le ligand (liaison dative). On rencontre ainsi plusieurs types de ligand : Comme on l’a déjà dit, un même ligand peut parfois former plusieurs liaisons avec le cation central, on dit qu’il est polydenté. Si le ligand présente un, deux ou trois sites de coordination (ne donnant qu’un doublet), alors il est respectivement monodenté, bidenté ou tridenté. Le ligand chélatant : C’est un ligand qui se lie plusieurs fois avec le cation métallique . La plupart du temps, un complexe possédant un ligand chelatant est beaucoup plus stable que s’il possédait les anions monodentés.
Le ligand pontant lie plusieurs cations différents . Les plus courants sont OH-, S2-,CO32-, NO2-, SCN- et NH2-.
Le ligand ambidenté : il possède au moins deux atomes différents qui peuvent être donneurs de doublets sans qu’ils puissent former d’anneau chelatant. Chacun de ces atomes peut former une liaison dative avec un acide de Lewis. Mais ces atomes ne se lient pas en même temps, c’est soit l’un soit l’autre. Nous pouvons citer l’exemple de l’ion thiocyanate [SCN]-, qui présente deux formes mésomères .
Propriétés des complexes de coordination
L’objet de cette partie est l’étude des propriétés électroniques des composés de coordination. Il s’agit d’interpréter les propriétés optiques et magnétiques. Les propriétés électroniques des composés de coordination sont dues pour une large part à la présence d’électron dans les couches d qui sont sensibles à l’environnement de l’ion métallique. En effet, les orbitales t2g et eg ont des énergies différentes mais proches. Le passage d’un électron d’une orbitale t2g à eg requiert une énergie dans le domaine du visible. Ainsi un composé de coordination lorsqu’il est soumis à une excitation de la lumière blanche dont l’énergie balaie le spectre du visible absorbe certaines énergies, ce qui lui confère une certaine couleur. D’autre part, en vertu de la règle de Hund et du fait que les orbitales t2g et eg sont dégénérées, la présence d’électrons célibataires est fréquente, conduisant à des propriétés magnétiques. L’analyse des spectres optiques des complexes consiste à interpréter les bandes en termes de transitions électroniques résultant de sauts d’électrons entre orbitales t2g et eg. Elle conduit à comprendre l’origine de la couleur des complexes. Ainsi dans une première partie, nous traiterons les propriétés optiques et dans la deuxième nous parlerons des propriétés magnétiques des composés de coordination.
Complexes et eau
L’eau est un élément primordial pour la vie mais elle est de plus en plus polluée. Cette augmentation de la pollution, due à l’activité humaine, a d’importantes répercussions sur notre santé et sur l’environnement naturel. Les contaminants sont de nature et de tailles différentes, ils sont présents dans l’eau sous forme de particules ou bien sous forme dissoute. Il y a des polluants organiques et des polluants inorganiques. Les polluants inorganiques sont des composés ne présentant pas de structure carbonée. Ce sont principalement les métaux lourds et les composés qui souvent associés aux métaux lourds. Ces métaux lourds présentent un caractère dangereux de part leur toxicité sur les organismes vivants provoquant cancer et maladie de la peau. Afin de purifier les eaux, il existe plusieurs techniques qui dépendent de la nature des substances à extraire, notamment celle de la complexation. On s’intéresse ici à la contamination inorganique. Ainsi on utilise des ligands très forts capables de capter les polluants dans l’eau et de les concentrer, puis de les extraire, par séparation magnétique. Comme exemple on peut citer : la zéolithe (aluminosilicate) est un ligand microporeux offrant des capacités de complexation importantes pour l’extraction de cations métalliques comme le cuivre .
l’EDTA ou acide Ethyléne Diamine Tetra Acétique de formule C10H16N2O8 est une substance ou ligand qui complexe les métaux lourds en les entourant . C’est certainement un des chélateurs les plus puissants, puisqu’il est capable de se lier aussi bien aux ions minéraux que métalliques. En cas d’intoxication liée à ces métaux contenus dans l’eau, l’EDTA est utilisé pour les éliminer en se liant à eux par chélation. Il réduit les effets de l’eau dure en complexant des métaux comme le calcium ou le magnésium.
Un autre moyen pour dépolluer l’eau et diminuer ou éliminer la teneur de certains éléments (en taux réglementaire admissibles dans l’eau réputée potable : calcaire, nitrate, pesticides, métaux lourds, chlorure) est l’utilisation des polyphosphates . Les polyphosphates permettent en quelques sorte de diminuer la dureté de l’eau en formant avec les ions de calcium et de magnésium responsables, des complexes solubles, plus stables, ce qui évite la précipitation de dépôts de tartres (CaCO3 et MgCO3) et dissoudrait les dépôts déjà formés.
Complexes de coordination et température
De nos jours, le réchauffement climatique demeure un sujet d’actualité. La planète est marquée par une recrudescence de la température moyenne des océans et de l’atmosphère terrestre. Cela se traduit par l’augmentation de la quantité de chaleur de la surface terrestre. Ce réchauffement climatique est du à la teneur croissante dans l’atmosphère de gaz, appelés gaz à effet de serre. Ils s’agissent du gaz carbonique (CO2), de la vapeur d’eau (H2O), du méthane (CH4), de l’oxyde nitreux ou protoxyde d’azote (N2O), de l’ozone (O3). Ces gaz absorbent les rayonnements infrarouges, qu’ils restituent à la surface du sol augmentant ainsi la chaleur. Pour réduire ces émissions de gaz, et par conséquent diminuer la température, un des moyens utilisés est l’expertise de la chimie de coordination. De nouveaux catalyseurs sont développés afin de réduire ces gaz en des produits industriels comme les combustibles. Nous nous limiterons à la réduction du CO2, qui est le plus important des gaz à effet de serre émis par des activités humaines avec un taux de concentration dans l’atmosphère de 400ppm (parties par million). L’acide formique qui est un produit industriel, est obtenu par hydrogénation du CO2 en présence d’un complexe d’iridium comme catalyseur . La photocatalyse et l’éléctrocatalyse ouvrent de nouvelles voies de production de combustibles chimiques, pour remplacer les combustibles fossiles responsables de l’émission de ces gaz. Les scientifiques ont préparé une nouvelle famille de ligands, certains capables de générer des complexes avec deux atomes de métaux ou plus. Par exemple les complexes phénanthroline tris-carbonyl de rhénium(I), les complexes bipyridines tris-carbonyl de manganèse . Ces complexes catalysent la réduction du CO2 en CO ou en ion formiate. Réduction électrochimique à l’aide de catalyseurs moléculaires.
Table des matières
INTRODUCTION
I –GENERALITES
I-1- Les postulats d’alfred werner
I-2- Définition d’un complexe de coordination
I-3-Les ligands
I-4- Les types de complexe
II-PROPRIETES DES COMPLEXES DE COORDINATION
II-1- Propriétés optiques
II-1-1- Interpretation qualitative des spectres (transition d-d)
II-1-2- Interprétation de la couleur des complexes
II-1-3- Rôle de la répulsion « électron-électron »
II- 2- Propriétés magnétiques :
III- APPLICATIONS DES COMPLEXES DE COORDINATION
III-1- En chimie
III-1-1- En catalyse
III-1-2- En chimie analytique
III-2- Purification de l’eau
III-3-En médecine
III-3-1-Applications thérapeutiques
III-3-2-Imagerie médicale
III-4-Les complexes dans les processus biologiques
III-4-1-L’hémoglobine
III-4-2-La chlorophylle
III-4-3-La vitamine B12
III-4-4- L’hémocyanine
III-5-Métallurgie extractive
III-6-Photographie
IV- COMPLEXES ET ENVIRONNEMENT
IV-1-Complexes et eau
IV-2-Complexes et air
IV-3-Complexes de coordination et température
IV-4-Complexes, sols, engrais et agriculture
IV-4-1-Correction des phénomènes de carence en oligoélément
IV-4- 2-Les engrais et leurs applications
CONCLUSION
BIBLIOGRAPHIE
