11.2: Bloques de construcción- iones metálicos y ligandos en complejos de metales de transición

Los complejos de metales de transición o complejos de coordinación son moléculas que contienen grupos dispuestos alrededor de un ion metálico central. En cierto modo, estas son como “lego-moléculas”, fácilmente ensambladas a partir de partes más pequeñas, y a veces se transforman fácilmente en nuevas moléculas cambiando las partes viejas por otras nuevas. Ese rápido ensamblaje y desmontaje es parte de lo que hace que estos compuestos sean muy útiles tanto en catálisis industrial como biológica.

¿Cuáles son los bloques de construcción que entran en un complejo de coordinación? La parte central clave suele ser un ión de metal de transición (aunque en algunos casos también se ven cationes de otras partes de la tabla periódica). La siguiente tabla muestra algunos ejemplos comunes de iones formados por cada uno de los metales de transición.

Cuadro\(\PageIndex{1}\): Algunos iones comunes de metales de transición.

Sc ^3+	Ti ^4+ Ti ^3+	V ^5+ V ^4+	Cr ^3+ Cr ^6+ Cr ^2+	Mn ^2+ Mn ^4+ Mn ^7+	Fe ^3+ Fe ^2+	Co ^2+ Co ^3+	Ni ^2+	Cu ^2+ Cu ^+	Zn ^2+
Y ^3+	Zr ^4+	Nb ^5+ Nb ^3+	Mo ^6+ Mo ^4+ Mo ^5+	(Tc ^7+) * (Tc ^4+) *	Ru ^3+ Ru ^4+ Ru ^2+	Rh ^3+ Rh ^+	Pd ^2+ Pd ^4+	Ag ^+ Ag ^2+	Cd ^2+
La ^3+	Hf ^4+	Ta ^5+	W ^6+ W ^4+ W ^5+	Re ^4+ Re ^6+ Re ^7+	Os ^4+ Os ^3+	Ir ^4+ Ir ^3+	Pt ^2+ Pt ^4+	Au ^3+ Au ^+	Hg ^2+ Hg ^1+

Para cada metal de transición, la forma más común de ion se enumera primero. Por ejemplo, el hierro se encuentra a menudo en compuestos como Fe ³⁺. Otros iones comunes también se muestran a continuación; el hierro se ve con bastante frecuencia como Fe ²⁺. Otros cargos son posibles; el hierro se ha reportado con cargos todo el camino de Fe ⁰ a Fe ⁶⁺, pero estos casos son menos comunes.

Además, vale la pena señalar que la fila superior de metales de transición es generalmente mucho más común que las siguientes dos filas. Eso no quiere decir que los demás sean menos importantes; el oro (Au), la plata (Ag) y el platino (Pt) son ciertamente importantes económicamente. Sin embargo, es más probable que encuentre ejemplos de complejos de la primera fila. Eso es especialmente cierto en química biológica, porque los organismos han evolucionado para hacer uso de esos iones metálicos que están más fácilmente disponibles para ellos.

Ejercicio\(\PageIndex{1}\)

1. Los metales del lado izquierdo de la tabla tienden a tener cargas relativamente altas en comparación con los metales de la derecha. ¿Qué tienen en común iones como Sc ³⁺, Zr ⁴⁺ y Ta ⁵⁺ que explicarían esta tendencia?
2. Los metales del lado derecho de la mesa tienen cargas relativamente bajas. En la naturaleza, los metales como el cobre (Cu), la plata (Ag) y el oro (Au) se encuentran frecuentemente como metales nativos (por ejemplo, Cu ⁰, sin carga alguna) en lugar de como compuestos. Explique esta preferencia por cargas bajas en esta parte de los metales de transición.
3. Los metales en el medio, por otro lado, tienen rangos de cargas muy amplios (por eso la tabla enumera tres cargos comunes para esos, aunque aún existen más). ¿Por qué?

Respuesta a:

Todos estos iones tienen la configuración electrónica del gas noble precedente, Ar. Estos metales acaban de comenzar a llenar los siguientes niveles de energía; estos electrones son relativamente altos en energía, con relativamente pocos protones que los atraen (en comparación con elementos posteriores en la fila). Los electrones de valencia son relativamente fáciles de usar, aunque no los electrones centrales.

Respuesta b:

Estos metales tienen números relativamente altos de protones en comparación con los elementos a su izquierda en la misma fila. Tienen electronegatividad relativamente alta, por lo que no pierden muchos electrones.

Respuesta c:

Estos metales en el medio muestran una mezcla de comportamientos: son lo suficientemente electronegativos para estabilizar cargas relativamente bajas, pero lo suficientemente lejos a la izquierda como para que puedan oxidarse completamente para alcanzar una configuración de gas noble.

La carga sobre el ion metálico a veces se llama estado de oxidación. Este término se refiere al hecho de que los metales que están expuestos a los elementos a veces se cargan positivamente, formando compuestos como los óxidos metálicos. El oxígeno del aire proporciona el ion óxido o hidróxido para contrarrestar la carga cuando el átomo metálico pierde electrones y se convierte en un catión metálico. Los ejemplos familiares incluyen la oxidación del metal de aluminio para formar óxido de aluminio blanco plateado; es posible que haya visto puertas de pantalla de aluminio que en realidad están cubiertas con una capa de óxido de aluminio. La Estatua de la Libertad estaba originalmente cubierta de cobre metálico, pero rápidamente se recubrió con óxido de cobre verde dinero.

En ocasiones, dentro de un complejo, la carga u estado de oxidación del metal se denota usando números romanos. Por ejemplo, Co ³⁺ a veces se escribe Co (III); Mn ²⁺ podría escribirse Mn (II).

Entonces, si necesita repasar los números romanos:

1 = I; 2 = II; 3 = III; 4 = IV; 5 = V; 6 = VI; 7 = VII; 8 = VIII; 9 = IX

Después de eso, no tendremos que preocuparnos por ello. A veces el osmio se encuentra como Os (VIII), por ejemplo, pero no vemos muy a menudo una carga de 9+.

El ion metálico es el primer bloque de construcción. El segundo bloque de construcción es el ligando. Los ligandos son las piezas que están dispuestas alrededor del ion metálico. En la última página, vimos que los aniones cloruro (Cl ^-) y amoníaco (NH ₃) actúan como ligandos en diferentes complejos de metales de transición. Es fácil imaginar cómo un ion metálico cargado positivamente atraería un anión de carga negativa como el cloruro. Como sucede, los ligandos neutros son igual de comunes. El requisito principal para apegarse a un ion metálico es un par de electrones sin unión, o un par solitario (al menos, ese es el caso en esta etapa de tu educación).

La siguiente tabla ilustra una variedad de ligandos para complejos de metales de transición.

Figura\(\PageIndex{1}\): Algunos ligandos comunes.

Ejercicio\(\PageIndex{2}\)

Calcular la carga general en los siguientes complejos, si los hubiere.

a) [Fe (II) (OH ₂) ₆] b) [Cr (III) (NH ₃) ₅ Cl] c) [(py) ₄ Mn (II) (SCN) ₂]

d) [Fe (II) (CN) ₆] e) [Co (III) (CN) ₅ CO] f) [Fe (II) (CN) ₅ NH ₃]

Respuesta a:

H ₂ O = 0 carga; Fe (II) = 2+ carga; total = 2+

Respuesta b:

H ₃ N = 0 carga; Cl = 1- carga; Cr (III) = 3+ carga; total = 2+

Respuesta c:

py = 0 carga; SCN = 1- carga; Mn (II) = 2+ carga; total = 0

Respuesta d:

CN = 1- carga; Fe (II) = 2+ carga; total = 4-

Respuesta e:

CN = 1- carga; CO = 0 carga; Co (III) = 3+ carga; total = 2-

Respuesta f:

CN = 1- carga; NH ₃ = 0 carga; Fe (II) = 2+ carga; total = 3-

Un complejo de coordinación tiene un ion metálico central con una serie de ligandos dispuestos alrededor de él. La última pieza son los contraiones, que equilibrarían la carga del ion complejo de metal de transición. Vimos ejemplos de contraiones comunes en la página de introducción.

Ejercicio\(\PageIndex{3}\)

Calcular la carga o estado de oxidación sobre el ion metálico en cada uno de los siguientes complejos.

a) [Cr (OH ₂) ₆] (NO ₃) ₃ b) K ₃ [FeF ₆] c) [Cr (SCN) (NH ₃) ₅] SO ₄

d) K ₄ [Mn (CN) ₆] e) [Au (NCCH ₃) ₂] ClO ₄ f) [(Ph ₃ P) Ag (CN)]

Respuesta a:

Carga total = 3+; carga de ligandos = 0; carga en Cr = 3+

Respuesta b:

Carga total = 3-; carga de ligandos = 6-; carga en Fe = 3+

Respuesta c:

Carga total = 2+; carga de ligandos = 1-; carga en Cr = 3+

Respuesta d:

Carga total = 4-; carga de ligandos = 6-; carga en Mn = 2+

Respuesta e:

Carga total = 1+; carga de ligandos = 0; carga en Au = 1+

Respuesta f:

Carga total = 0; carga de ligandos = 1-; carga en Ag = 1+

En la siguiente página, veremos cómo algunos ligandos pueden unirse a un metal más de una vez. Eso les ayuda a aferrarse más firmemente.