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Prepa Help › Cours › Chimie, 1re année

Réactions de complexation : constantes de formation, diagrammes en pL et dosage par l'EDTA

Complexes et ligands, constantes de formation et de dissociation, diagrammes de prédominance en pL, réaction prépondérante et état final, compétition entre ligands ou entre ions métalliques.

Les nombres sont ceux du chapitre complet ; chaque filière voit la partie qui correspond à son programme.

Une réaction de complexation associe un ion métallique M\mathrm{M} et des ligands L\mathrm{L} pour former un complexe ; elle se traite comme un échange de particule, sur le modèle de l'acide-base, avec pL\mathrm{pL} à la place du pH. La constante de formation globale βn\beta_n de M+n L=MLn\mathrm{M + n\,L = ML_n} est le produit des constantes successives, et pL=pKd+log⁡[M][ML]\mathrm{pL} = \mathrm{p}K_d + \log\frac{[\mathrm{M}]}{[\mathrm{ML}]} fixe le diagramme de prédominance en pL. Le chapitre traite aussi l'état final par la réaction prépondérante, les compétitions entre ligands ou entre ions métalliques, l'effet du pH et le dosage de la dureté de l'eau par l'EDTA. Il appartient au programme marocain de première année (MPSI, PCSI, TSI) et figure parmi les questions de solutions aqueuses des épreuves de chimie du CNC.

Ce que tu sauras faire

Une solution de sulfate de cuivre bleu pâle devient bleu céleste quand on y verse de l'ammoniac ; une solution de fer(III) orangée vire au rouge sang avec quelques gouttes de thiocyanate ; l'eau du puits, chargée de calcium et de magnésium, se dose au laboratoire par l'EDTA, celui-là même qu'on trouve dans les lessives. Dans chaque cas, un ion métallique fixe des molécules ou des ions qu'on appelle des ligands : il se forme un complexe. Ce chapitre décrit ces réactions avec les outils des chapitres « Système physico-chimique et état final » et « Réactions acide-base », qu'il transpose : le ligand joue le rôle du proton. À la fin, tu dois savoir :

Prérequis : les chapitres « Système physico-chimique et état final » (quotient de réaction, constante, combinaison de constantes, « supposer, calculer, vérifier ») et « Réactions acide-base » (couples, diagrammes de prédominance, réaction prépondérante, règle du gamma).

L’essentiel du chapitre Extrait gratuit

Un extrait de la fiche « L'essentiel » du chapitre. Les démonstrations sont dans le cours détaillé.

À retenir Complexes et couples
  • Complexe : centre métallique entouré de ligands ; chaque liaison ligand-centre est un doublet apporté par le ligand, un ligand polydentate en apporte plusieurs ; indice de coordination : nombre de liaisons au centre.
  • Ligand monodentate (NH3\mathrm{NH_3}, SCN−\mathrm{SCN^-}, F−\mathrm{F^-}, H2O\mathrm{H_2O}) ou polydentate (EDTA, hexadentate).
  • Nom : ligands (ammine, aqua, thiocyanato, fluoro), métal, charge du centre en chiffres romains ; « ate » pour un anion.
  • Couple ML/M\mathrm{ML/M} : donneur ML\mathrm{ML}, accepteur M\mathrm{M}, particule échangée L\mathrm{L} ; ML=M+L\mathrm{ML = M + L} (charges justes dans chaque exemple).
  • Analogie : ligand et proton, complexe et acide, ion métallique et base, pL et pH, pKd\mathrm{p}K_d et pKa\mathrm{p}K_a.
À retenir Constantes
  • Kd=[M][L][ML]c∘K_d = \dfrac{[\mathrm{M}][\mathrm{L}]}{[\mathrm{ML}]c^\circ}, Kf=1/KdK_f = 1/K_d, pKd=log⁡Kf\mathrm{p}K_d = \log K_f ; plus pKd\mathrm{p}K_d est grand, plus le complexe est stable.
  • Successives : KfiK_{fi} pour MLi−1+L=MLi\mathrm{ML_{i-1} + L = ML_i}, pKdi=log⁡Kfi\mathrm{p}K_{di} = \log K_{fi}.
  • Globale : βn\beta_n pour M+n L=MLn\mathrm{M + n\,L = ML_n} ; βn=∏Kfi\beta_n = \prod K_{fi}, log⁡βn=∑pKdi\log\beta_n = \sum\mathrm{p}K_{di}, log⁡Kfi=log⁡βi−log⁡βi−1\log K_{fi} = \log\beta_i - \log\beta_{i-1}.
  • pL=pKd+log⁡[M][ML]\mathrm{pL} = \mathrm{p}K_d + \log\dfrac{[\mathrm{M}]}{[\mathrm{ML}]} dans toute solution où les deux formes sont présentes.
À retenir Diagrammes en pL
  • Axe gradué en pL ; complexe pour pL<pKd\mathrm{pL} < \mathrm{p}K_d (beaucoup de ligand), ion libre au-delà ; frontière au pKd\mathrm{p}K_d ([ML]=[M][\mathrm{ML}] = [\mathrm{M}]) ; majoritaire à une unité.
  • Complexes successifs : frontières aux pKdi\mathrm{p}K_{di}, qui décroissent normalement.
  • Si pKdi<pKd,i+1\mathrm{p}K_{di} < \mathrm{p}K_{d,i+1} : MLi\mathrm{ML_i} se dismute et ne prédomine jamais ; frontière commune entre ses voisins.
  • Distribution : deux complexes successifs se croisent au pKdi\mathrm{p}K_{di}.
À retenir Réactions et compétitions
  • Échelle verticale des pKd\mathrm{p}K_d, croissant vers le haut, accepteurs à gauche, donneurs à droite ; une échelle par particule échangée.
  • L'accepteur d'en haut réagit sur le donneur d'en bas (gamma) ; K∘=10ΔpKdK^\circ = 10^{\Delta\mathrm{p}K_d}.
  • Deux ligands pour un centre : le complexe le plus stable se forme ; deux centres pour un ligand : de même.
  • Ligand basique : les ions oxonium le captent ; une réaction bilan, constante par combinaison.
  • K∘>1K^\circ > 1 n'est pas « totale » : seuil 10410^4 environ, à vérifier, et la stœchiométrie compte.

Une méthode du chapitre Extrait gratuit

Un exercice corrigé Extrait gratuit

Dans le chapitre complet

Le cours détaillé, toute la fiche « L'essentiel », 15 méthodes, 16 pièges corrigés, la carte mentale, 31 exercices corrigés, 5 problèmes de concours, les fiches à mémoriser et l'assistant qui répond à tes questions. Ce chapitre est offert : il s’ouvre en entier avec un compte d’essai gratuit.

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Plan du cours

Les méthodes du chapitre

Chaque méthode est une fiche : quand l'utiliser, le rappel de cours, les étapes, la rédaction attendue sur la copie, un exemple traité, les erreurs à éviter.

  1. Reconnaître un complexe et le nommer
  2. Écrire un couple donneur-accepteur et les réactions de formation et de dissociation
  3. Passer des constantes successives aux constantes globales, de la formation à la dissociation
  4. Tracer et lire un diagramme de prédominance en pL
  5. Repérer un complexe qui ne prédomine jamais et tracer le diagramme réel
  6. Lire un diagramme de distribution
  7. Prévoir une réaction par l'échelle des pKd\mathrm{p}K_d et calculer sa constante
  8. Déterminer l'état final d'une solution d'un complexe seul
  9. Déterminer l'état final d'un mélange d'un ion métallique et d'un ligand
  10. Traiter une compétition entre deux ligands pour un même centre
  11. Traiter une compétition entre deux centres métalliques pour un même ligand
  12. Prendre en compte le pH : ligand basique, complexe détruit par un acide
  13. Exploiter la réaction support d'un dosage par l'EDTA et le virage de l'indicateur
  14. Calculer et convertir une dureté
  15. Déterminer une constante de formation par spectrophotométrie

Les exercices corrigés

Chaque exercice a ses indications, sa correction rédigée et ce qu'il faut en retenir.

Application directe (12)

Entraînement (14)

Approfondissement (5)

Les problèmes de concours

Des extraits de sujets réels, corrigés en entier, avec la durée conseillée et les méthodes mobilisées.

Questions fréquentes

Quelle est la différence entre constante de formation et constante de dissociation d'un complexe ?

La constante de formation KfK_f décrit M+L=ML\mathrm{M + L = ML} ; la constante de dissociation décrit la réaction inverse, Kd=[M][L][ML]c∘=1KfK_d = \dfrac{[\mathrm{M}][\mathrm{L}]}{[\mathrm{ML}]c^\circ} = \dfrac{1}{K_f}. On pose pKd=−log⁡Kd=log⁡Kf\mathrm{p}K_d = -\log K_d = \log K_f : plus il est grand, plus le complexe est stable. Pour FeSCN2+\mathrm{FeSCN^{2+}} avec log⁡β1=2,1\log\beta_1 = 2{,}1, Kd=10−2,1K_d = 10^{-2{,}1} et pKd=2,1\mathrm{p}K_d = 2{,}1.

Comment passer des constantes successives à la constante globale ?

La constante globale βn\beta_n de M+n L=MLn\mathrm{M + n\,L = ML_n} est le produit des constantes successives : βn=∏Kfi\beta_n = \prod K_{fi}, soit log⁡βn=∑pKdi\log\beta_n = \sum \mathrm{p}K_{di}. Inversement, log⁡Kfi=log⁡βi−log⁡βi−1\log K_{fi} = \log\beta_i - \log\beta_{i-1}. La dernière constante successive ne décrit que la fixation du dernier ligand : la prendre pour βn\beta_n fausse le calcul de l'ion libre de plusieurs puissances de dix.

Comment tracer un diagramme de prédominance en pL ?

On gradue un axe en pL=−log⁡[L]c∘\mathrm{pL} = -\log\frac{[\mathrm{L}]}{c^\circ}, avec le ligand libre. La frontière d'un couple ML/M\mathrm{ML/M} est au pKd\mathrm{p}K_d : le complexe prédomine pour pL<pKd\mathrm{pL} < \mathrm{p}K_d, c'est-à-dire quand le ligand est abondant, et l'ion libre au-delà. Pour des complexes successifs, les frontières sont aux pKdi\mathrm{p}K_{di}, normalement décroissants ; sinon, le complexe intermédiaire se dismute et ne prédomine jamais.

Comment prévoir une réaction entre un complexe et un autre ion métallique ?

On place les couples qui échangent la même particule sur une échelle verticale des pKd\mathrm{p}K_d. L'accepteur situé en haut réagit sur le donneur situé en bas, avec K∘=10ΔpKdK^\circ = 10^{\Delta\mathrm{p}K_d}. Ainsi Ni2+\mathrm{Ni^{2+}} (18,618{,}6) réagit sur CaY2−\mathrm{CaY^{2-}} (10,710{,}7) avec K∘=107,9K^\circ = 10^{7{,}9}. Une constante supérieure à 11 ne prouve pas que la réaction est totale : on calcule l'avancement.

Pourquoi un complexe ammine est-il détruit en milieu acide ?

Parce que le ligand est aussi une base : les ions oxonium captent l'ammoniac libéré. Pour Ag(NH3)2++2 H3O+=Ag++2 NH4+\mathrm{Ag(NH_3)_2^+ + 2\,H_3O^+ = Ag^+ + 2\,NH_4^+}, la constante vaut 1β2Ka2=1011,3\dfrac{1}{\beta_2 K_a^2} = 10^{11{,}3}, avec 1/Ka1/K_a compté deux fois car deux ligands sont protonés. On écrit la réaction bilan, puis on la décompose en réactions de constantes connues.

Comment doser la dureté d'une eau par l'EDTA ?

On titre les ions calcium et magnésium par l'EDTA en milieu maintenu à pH 10 par un mélange d'ammoniac et d'ions ammonium, avec le noir ériochrome T comme indicateur, qui vire du rouge violacé au bleu à l'équivalence. Alors n(EDTA)=n(Ca2+)+n(Mg2+)n(\mathrm{EDTA}) = n(\mathrm{Ca^{2+}}) + n(\mathrm{Mg^{2+}}). La dureté s'exprime en degrés français : 11 °f =1,0⋅10−4 mol⋅L−1= 1{,}0\cdot10^{-4}\ \text{mol}\cdot\text{L}^{-1}, soit 1010 mg de carbonate de calcium par litre.

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