Isomérie dans les Complexes de Coordination
Contexte : L'isomériePhénomène où deux molécules ont la même formule chimique brute mais des structures ou des arrangements spatiaux différents. dans les complexes de coordinationStructure composée d'un atome central (généralement métallique) entouré de molécules ou d'ions appelés ligands..
L'étude des complexes de métaux de transition est fondamentale en chimie inorganique. Un aspect fascinant est leur capacité à former des isomères : des composés ayant la même formule mais des propriétés physiques et chimiques distinctes (couleur, réactivité, activité biologique). Nous étudierons ici le cas classique d'un complexe octaédrique de Cobalt.
Remarque Pédagogique : Cet exercice vous guidera pour déterminer le degré d'oxydation d'un métal central et identifier les isomères géométriques possibles (cis/trans) pour une formule donnée. Une bonne visualisation spatiale est clé ici.
Objectifs Pédagogiques
- Déterminer le degré d'oxydation du métal central.
- Identifier la géométrie de coordination (Octaédrique).
- Distinguer et dessiner les isomères géométriques (cis et trans).
Données de l'étude
Fiche Technique des composants
| Composant | Rôle | Charge | Type |
|---|---|---|---|
| Cobalt (Co) | Centre métallique | À déterminer | Métal de transition |
| Ammoniac (\(\text{NH}_3\)) | Ligand | Neutre (0) | Monodentate |
| Chlorure (\(\text{Cl}^-\)) | Ligand | Anionique (-1) | Monodentate |
Géométrie Octaédrique Générale
| Paramètre | Valeur |
|---|---|
| Nombre de coordination | 6 (Géométrie Octaédrique) |
| Charge globale du complexe | +1 |
Questions à traiter
- Calculer le nombre d'oxydation du Cobalt dans ce complexe.
- Déterminer et représenter les isomères géométriques possibles pour la formule \([\text{Co}(\text{NH}_3)_4\text{Cl}_2]^+\).
- Établir la configuration électronique de l'ion central Cobalt(III).
- Donner le nom systématique (nomenclature IUPAC) de ce complexe.
Les bases sur la chimie de coordination
Pour aborder cet exercice, il faut maîtriser deux concepts clés : l'état d'oxydation et la stéréochimie.
1. Nombre d'Oxydation (N.O.)
C'est la charge formelle portée par l'atome central si toutes les liaisons étaient ioniques. La somme des N.O. est égale à la charge globale de l'ion.
\[ \sum \text{N.O.}_{\text{métal}} + \sum \text{Charges}_{\text{ligands}} = \text{Charge}_{\text{ion}} \]
2. Isomérie Géométrique (Cis/Trans)
Dans un complexe octaédrique de type \(\text{MA}_4\text{B}_2\) :
- Cis : Les deux ligands B sont adjacents (angle de 90°).
- Trans : Les deux ligands B sont opposés (angle de 180°).
Correction : Isomérie dans les Complexes de Coordination
Question 1 : Degré d'oxydation du Cobalt
Principe
Le degré d'oxydation (ou nombre d'oxydation) correspond à la charge qu'aurait l'atome central si toutes les liaisons autour de lui étaient purement ioniques. C'est une valeur formelle fondamentale pour comprendre la réactivité et la géométrie du complexe. Nous allons le déterminer en résolvant une équation simple basée sur la conservation de la charge électrique totale de l'édifice.
Mini-Cours
Rappel essentiel : Un complexe est un assemblage neutre ou chargé. La règle d'or est :
Somme des N.O. du métal + Somme des charges des ligands = Charge globale du complexe.
Il faut connaître les charges usuelles : les ligands neutres (eau, ammoniac, CO) valent 0, les halogènes (F, Cl, Br, I) valent -1.
Remarque Pédagogique
La difficulté principale réside souvent dans l'oubli des charges négatives des ligands anioniques. Pour ne pas vous tromper, faites une liste systématique des composants avant de poser l'équation. Considérez l'ammoniac comme un simple "0" dans votre addition.
Normes
Selon les conventions de l'IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry), le nombre d'oxydation s'écrit en chiffres romains entre parenthèses, collé au nom du métal (ex: Cobalt(III)). C'est la notation de Stock.
Formule(s)
L'équation mathématique de conservation de la charge s'exprime ainsi :
Hypothèses
Nous supposons ici que les ligands sont des entités distinctes avec une charge fixe connue (modèle ionique simplifié). Nous considérons que l'ammoniac est neutre et que le chlore est sous forme d'ion chlorure (\(\text{Cl}^-\)).
Donnée(s)
| Entité | Symbole | Quantité | Charge unitaire |
|---|---|---|---|
| Métal | \(\text{Co}\) | 1 | \(x\) (inconnue) |
| Ligand Ammine | \(\text{NH}_3\) | 4 | 0 |
| Ligand Chloro | \(\text{Cl}^-\) | 2 | -1 |
| Ion Complexe | Global | 1 | +1 |
Astuces
Astuce de vérification : Les métaux de la première ligne de transition (comme le Cobalt) ont très souvent des degrés d'oxydation de +II ou +III. Si vous trouvez +7 ou -2, refaites vos calculs !
Schéma (Avant les calculs)
Visualisons l'assemblage des charges comme une balance.
Bilan des charges
Calcul(s)
Détaillons la résolution pas à pas.
Étape 1 : Poser l'équation
Soit \(x\) le degré d'oxydation du Cobalt. On traduit le bilan de charge en équation mathématique :
Ici, \(x\) est l'inconnue, \(4 \cdot 0\) représente la charge nulle des ammines, et \(2 \cdot (-1)\) la charge des chlorures.
Étape 2 : Simplifier les termes
Les 4 molécules d'ammoniac (charge 0) ne contribuent pas. Les 2 ions chlorure (charge -1) contribuent pour -2 au total. L'équation devient :
L'équation se simplifie : la somme des charges négatives (-2) doit être compensée par le métal pour atteindre +1.
Étape 3 : Isoler l'inconnue
On déplace le terme -2 de l'autre côté de l'égalité en changeant son signe, ce qui nous permet de trouver la valeur de \(x\) :
Le déplacement du terme -2 vers la droite change son signe (\(+1 + 2\)), donnant une charge positive de +3 pour le Cobalt.
Schéma (Après les calculs)
Voici le résumé visuel de la résolution :
État final du Cobalt
Réflexions
Le résultat \(x = +3\) est cohérent chimiquement. Le Cobalt(III) est une forme très stable qui forme préférentiellement des complexes octaédriques inerte cinétiquement, ce qui signifie qu'ils échangent leurs ligands très lentement (contrairement au Cobalt(II) qui est labile).
Points de vigilance
Attention à ne pas confondre la charge globale de l'ion (+1) avec le degré d'oxydation du métal (+3). La charge globale est le résultat de l'addition, le N.O. est une des parties de l'addition.
Points à retenir
- La somme des charges est égale à la charge de l'ion.
- Les molécules neutres ne contribuent pas à la charge.
- Le résultat doit être un nombre entier (souvent positif pour les métaux).
Le saviez-vous ?
Historiquement, la valence du cobalt dans ces complexes a été un mystère pendant des décennies jusqu'à ce qu'Alfred Werner propose sa théorie de la coordination en 1893, distinguant la valence primaire (degré d'oxydation) de la valence secondaire (nombre de coordination).
FAQ
Résultat Final
A vous de jouer
Quel serait le degré d'oxydation du Platine dans le complexe \([\text{Pt}(\text{NH}_3)_2\text{Cl}_2]\) (neutre) ? Indice : le complexe global vaut 0.
Mini Fiche Mémo
Synthèse Q1 :
- Méthode : Équation bilan : Métal + Ligands = Total.
- Valeur trouvée : \(\text{Co(III)}\).
- Piège à éviter : Oublier que \(\text{Cl}^-\) vaut -1.
Question 2 : Isomères Géométriques
Principe
L'isomérie géométrique, aussi appelée stéréoisomérie, survient lorsque des molécules ont la même formule brute et les mêmes liaisons chimiques, mais un arrangement spatial des atomes différent. Dans le contexte des complexes de coordination, la position relative des ligands autour du centre métallique est cruciale. Pour un complexe octaédrique contenant deux ligands identiques (notés B) et quatre autres ligands identiques (notés A), soit la formule \(MA_4B_2\), il existe deux configurations spatiales distinctes non superposables : l'une où les ligands B sont voisins (Cis) et l'autre où ils sont opposés (Trans). Comprendre cette disposition est essentiel pour prédire la polarité et la symétrie de la molécule.
Mini-Cours
L'isomérie géométrique survient lorsque l'arrangement spatial des ligands diffère, bien que les liaisons soient les mêmes. Dans un octaèdre de type \(\text{MA}_4\text{B}_2\), il n'y a que deux positions relatives possibles pour les deux ligands B :
1. Position Cis : Les ligands B sont voisins (angle métal-ligand de 90°).
2. Position Trans : Les ligands B sont diamétralement opposés (angle métal-ligand de 180°).
Toutes les autres positions sont équivalentes à l'une de ces deux par rotation de la molécule.
Voici la représentation spatiale détaillée des deux isomères pour notre complexe. Notez la disposition relative des atomes de chlore (en vert).
Isomère CIS (Violeo)
Angle Cl-Co-Cl = 90°
Isomère TRANS (Praseo)
Angle Cl-Co-Cl = 180°
Réflexions
Ces différences structurelles ont des conséquences macroscopiques. L'isomère Cis possède un moment dipolaire permanent car les charges négatives des chlores sont d'un même côté, ce qui le rend polaire. L'isomère Trans, lui, est centrosymétrique : les effets des deux chlores s'annulent vectoriellement, ce qui rend la molécule apolaire (moment dipolaire nul). Cette différence de polarité permet souvent de les séparer par chromatographie.
Points de vigilance
Il ne faut surtout pas confondre isomérie géométrique (cis/trans) et isomérie optique (énantiomérie).
Ici, l'isomère Trans possède un centre de symétrie et plusieurs plans de symétrie, il est achiral.
L'isomère Cis possède aussi un plan de symétrie (passant entre les deux chlores et contenant le métal), il est donc également achiral et superposable à son image dans un miroir. Aucun de ces isomères ne dévie la lumière polarisée.
Le saviez-vous ?
Les noms historiques "Violeo" et "Praseo" viennent directement du latin pour leurs couleurs : violaceus (violet) pour le cis, et prasinus (vert poireau) pour le trans. Ces couleurs différentes pour la même formule chimique ont été une preuve cruciale pour Werner afin de démontrer que la structure 3D des molécules était réelle.
Mini Fiche Mémo
Synthèse Q2 :
- Type : Isomérie géométrique.
- Cis : Ligands identiques voisins (90°).
- Trans : Ligands identiques opposés (180°).
- Chiralité : Aucune pour ce complexe (les deux sont achiraux).
Question 3 : Configuration électronique du Cobalt(III)
Principe
La configuration électronique d'un ion de transition est la carte d'identité de ses électrons de valence. Elle permet de comprendre ses propriétés magnétiques (attraction ou non par un aimant) et ses spectres de couleur. Le principe repose sur le remplissage des orbitales atomiques selon leur énergie croissante, en tenant compte de la perte d'électrons due à l'ionisation.
Mini-Cours
Pour les métaux de la 4ème période (Bloc d) :
1. À l'état neutre, les orbitales \(4s\) sont remplies avant les \(3d\).
2. Règle fondamentale d'ionisation : Lorsqu'on forme un cation, on enlève TOUJOURS les électrons de la couche \(n\) la plus élevée (ici la couche 4, orbitale \(4s\)) AVANT d'enlever ceux de la couche \(n-1\) (ici la couche 3, orbitale \(3d\)). C'est contre-intuitif mais crucial.
Remarque Pédagogique
L'erreur la plus fréquente est d'écrire la configuration de l'ion en suivant l'ordre de remplissage (Klechkowski) inverse. Si vous faites cela, vous enlèveriez les électrons \(3d\) en premier, ce qui est faux. Retenez : "Dernier arrivé (au remplissage), premier parti" est FAUX pour les métaux de transition. C'est "Couche la plus externe (4s) part en premier".
Normes
On utilise la notation du gaz noble précédent entre crochets pour abréger le cœur électronique stable. Pour le Cobalt (\(Z=27\)), le gaz noble précédent est l'Argon (\(Z=18\)). On indique ensuite les orbitales de valence (\(3d\) et \(4s\)).
Formule(s)
Le nombre d'électrons de valence de l'ion se calcule par la formule suivante :
Hypothèses
Nous déterminons ici la configuration électronique de l'ion libre (gazeux), sans tenir compte pour l'instant de l'influence du champ cristallin créé par les ligands (qui séparerait les niveaux d'énergie \(3d\)).
Donnée(s)
- Numéro atomique du Cobalt \(Z = 27\).
- Numéro atomique de l'Argon \(Z = 18\).
- Charge de l'ion \(\text{Co}^{3+}\) : \(+3\).
Astuces
Écrivez toujours la configuration complète de l'atome NEUTRE d'abord. N'essayez pas de deviner directement celle de l'ion. Faites l'étape intermédiaire sur votre brouillon.
Schéma (Orbitales)
Voici l'occupation des orbitales d pour l'ion Co³⁺ libre (règle de Hund respectée : un maximum de spins parallèles).
Couche de valence \(\text{3d}^6\) (Ion libre)
Calcul(s)
Étape 1 : Configuration de l'atome neutre (Co)
On a 27 électrons à placer. 18 sont dans le cœur \([\text{Ar}]\). Il reste 9 électrons de valence.
Selon l'ordre de remplissage, on remplit \(4s\) (2 électrons) puis \(3d\) (7 électrons).
L'argon couvre les 18 premiers électrons. Les 9 suivants occupent d'abord la sous-couche 4s (2) puis la 3d (7).
Étape 2 : Retrait des électrons pour former Co³⁺
On doit retirer 3 électrons pour atteindre la charge +3. On commence par la couche externe \(n=4\).
1. On vide d'abord la couche \(4s\) (2 électrons) \(\to\) il reste 1 électron à enlever.
2. On enlève ensuite 1 électron de la couche \(3d\) (\(7 - 1 = 6\)).
Pour former l'ion +3, on retire les 2 électrons 4s (les plus externes) et 1 électron 3d. Il reste 6 électrons de valence dans les orbitales d.
Schéma (Après les calculs)
Visualisation de la perte des électrons externes pour former le cation.
Transition Atome Neutre \(\to\) Cation
Réflexions
L'ion \(\text{Co}^{3+}\) est donc un ion \(d^6\). Cette configuration est particulièrement stable dans un champ octaédrique fort (comme celui créé par l'ammoniac). Les 6 électrons vont s'apparier dans les orbitales de plus basse énergie (\(t_{2g}\)), rendant le complexe diamagnétique (tous les spins sont appariés, pas de moment magnétique net).
Points de vigilance
Assurez-vous que la somme des électrons restants correspond bien à \(27 - 3 = 24\).
\(18 ([\text{Ar}]) + 6 (3d) = 24\). Le compte est bon.
Points à retenir
- Départ toujours de l'atome neutre.
- Ionisation : départ des électrons \(ns\) AVANT les \((n-1)d\).
- Le Cobalt(III) est un système \(d^6\).
Le saviez-vous ?
L'ion \(\text{Co}^{3+}\) est isoélectronique (même configuration électronique) avec l'ion Ferreux \(\text{Fe}^{2+}\). Pourtant, leurs chimies sont très différentes à cause de la différence de charge nucléaire qui attire plus ou moins fortement ces électrons.
FAQ
Résultat Final
A vous de jouer
Quelle est la configuration du Fer(III) (\(Z=26\)) ? Rappel : le fer neutre est \([\text{Ar}] 4s^2 3d^6\).
Mini Fiche Mémo
Synthèse Q3 :
- Atome Neutre : \([\text{Ar}] 4s^2 3d^7\).
- Cation \(\text{Co}^{3+}\) : On perd les 2 's' et 1 'd'.
- Résultat : \([\text{Ar}] 3d^6\).
Question 4 : Nomenclature IUPAC
Principe
La nomenclature en chimie de coordination est un langage codifié qui permet de transformer une formule chimique en un nom unique et descriptif, et vice-versa. Elle suit une syntaxe rigoureuse comparable à une phrase grammaticale : [Nombre + Nom des Ligands] + [Nom du Métal] + [Oxydation].
Mini-Cours
Les 4 Règles d'Or de la Nomenclature :
1. Ordre : On nomme d'abord les ligands par ordre alphabétique, puis le métal.
2. Noms des Ligands :
- Anioniques : suffixe "o" (Chlorure \(\to\) Chloro, Sulfate \(\to\) Sulfato).
- Neutres : Noms courants (Eau \(\to\) Aqua, Ammoniac \(\to\) Ammine).
3. Quantité : Utiliser les préfixes grecs (di, tri, tétra, penta, hexa). Ces préfixes ne comptent pas pour l'ordre alphabétique.
4. Le Métal :
- Si le complexe est Cationique/Neutre : Nom français usuel (ex: Cobalt).
- Si le complexe est Anionique : Nom latin + suffixe "-ate" (ex: Cobaltate, Ferrate, Cuprate).
Raisonnement
Construisons le nom étape par étape en analysant chaque composant de la formule \([\text{Co}(\text{NH}_3)_4\text{Cl}_2]^+\).
- Identification des ligands :
- \(\text{NH}_3\) : C'est un ligand neutre. Son nom IUPAC est ammine (avec deux 'm'). Il y en a 4, donc le préfixe est tétra.
\(\to\) tétraammine. - \(\text{Cl}^-\) : C'est un ligand anionique. Son nom IUPAC est chloro. Il y en a 2, donc le préfixe est di.
\(\to\) dichloro.
- \(\text{NH}_3\) : C'est un ligand neutre. Son nom IUPAC est ammine (avec deux 'm'). Il y en a 4, donc le préfixe est tétra.
- Classement alphabétique : On compare "ammine" (commence par a) et "chloro" (commence par c). Le "a" arrive avant le "c".
\(\to\) tétraamminedichloro... - Nom du métal : Le complexe est un cation (charge +1). On garde le nom usuel.
\(\to\) ...cobalt. - Indication de l'oxydation : Nous avons calculé en Q1 que le cobalt est +3.
\(\to\) ...cobalt(III). - Nature de l'espèce : C'est un ion, donc on commence le nom par "Ion".
Réflexions
Notez bien que l'ordre alphabétique est déterminé par le nom du ligand lui-même ("a" pour ammine, "c" pour chloro) et non par le préfixe multiplicateur ("t" pour tétra, "d" pour di). Si on avait utilisé les préfixes, "dichloro" serait passé avant "tétraammine", ce qui aurait été une erreur de nomenclature.
Points de vigilance
Le piège de l'orthographe "Ammine" :
En chimie organique, les amines (R-NH2) prennent un seul 'm'.
En chimie de coordination, le ligand ammoniac (NH3) prend deux 'm'. C'est la seule exception avec "ammine". Tous les autres noms de ligands suivent l'orthographe usuelle.
Résultat Final
Mini Fiche Mémo
Synthèse Q4 :
- Structure : Ligands (A-Z) + Métal + (N.O.).
- Ammine : Prend 2 'm'.
- Anion : Métal en -ate (ex: Ferrate).
- Cation : Métal normal (ex: Fer).
Simulateur d'Isomérie Géométrique
Explorez comment le nombre de ligands substitués (B) dans un complexe octaédrique \(\text{MA}_{6-n}\text{B}_n\) affecte le nombre d'isomères géométriques possibles.
Paramètres du Complexe
Analyse Structurelle
Quiz Final : Testez vos connaissances
1. Quelle est la géométrie d'un complexe ayant un nombre de coordination de 6 ?
2. Dans l'isomère "Facial" (fac) d'un complexe \(\text{MA}_3\text{B}_3\), comment sont disposés les ligands identiques ?
Glossaire
- Ligand
- Ion ou molécule qui se lie à un atome métallique central pour former un complexe de coordination.
- Nombre de Coordination
- Nombre total de liaisons ligand-métal. Pour une géométrie octaédrique, ce nombre est de 6.
- Isomère Cis
- Configuration où deux ligands identiques sont adjacents (90°).
- Isomère Trans
- Configuration où deux ligands identiques sont opposés (180°).
D »autres exercices de chimie inorganique :
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