Exercices et corrigés

Etude de Chimie

Ligands et Nombres de Coordination

Ligands et Nombres de Coordination en Chimie Inorganique

Ligands et Nombres de Coordination en Chimie Inorganique

Comprendre les Ligands et les Nombres de Coordination

En chimie inorganique, un ion ou une molécule de coordination (aussi appelé complexe) est une structure constituée d'un atome ou ion central (généralement un métal de transition), appelé centre de coordination, lié à un ensemble d'ions ou de molécules neutres environnants, appelés ligands. Les ligands possèdent au moins un doublet d'électrons non liant qui peut être donné à l'atome central pour former une liaison de coordination (liaison covalente dative). Le nombre de liaisons directes entre l'atome central et les ligands est appelé le nombre de coordination. La denticité d'un ligand fait référence au nombre d'atomes donneurs qu'un seul ligand utilise pour se lier à l'atome central.

Données de l'étude

On considère le complexe de coordination suivant : le dichlorotétraamminecobalt(III), dont la formule est \([Co(NH_3)_4Cl_2]^+\).

Informations sur les ligands courants :

  • \(\text{NH}_3\) (ammoniac) : ligand neutre, monodentate.
  • \(\text{Cl}^-\) (chlorure) : ligand anionique (-1), monodentate.
  • \(\text{CN}^-\) (cyanure) : ligand anionique (-1), monodentate.
  • \(\text{en}\) (éthylènediamine, \(\text{H}_2\text{N-CH}_2\text{-CH}_2\text{-NH}_2\)) : ligand neutre, bidentate.
  • \(\text{H}_2\text{O}\) (aqua) : ligand neutre, monodentate.
Représentation simplifiée de \([Co(NH_3)_4Cl_2]^+\) (isomère trans)
Co NH₃ NH₃ NH₃ NH₃ Cl Cl [...]⁺

Note : Ce schéma est une simplification 2D et ne représente pas la géométrie octaédrique réelle de manière précise. Les positions axiales sont occupées par Cl pour l'isomère trans.

Questions à traiter

Pour le complexe \([Co(NH_3)_4Cl_2]^+\) :

  1. Identifier tous les ligands présents dans le complexe.
  2. Pour chaque type de ligand, indiquer sa denticité et sa charge.
  3. Déterminer le nombre de coordination du cobalt (\(\text{Co}\)) dans ce complexe.
  4. Déterminer l'état d'oxydation (ou nombre d'oxydation) du cobalt dans ce complexe.

Considérez également le complexe \([Fe(CN)_6]^{4-}\) :

  1. Quel est le nombre de coordination du fer (\(\text{Fe}\)) dans \([Fe(CN)_6]^{4-}\) ?
  2. Quel est l'état d'oxydation du fer dans \([Fe(CN)_6]^{4-}\) ?

Enfin, pour le complexe \([Cu(en)_2]^{2+}\) :

  1. Quel est le nombre de coordination du cuivre (\(\text{Cu}\)) dans \([Cu(en)_2]^{2+}\) ?

Simulateur Interactif de Complexes de Coordination

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Correction : Analyse des Complexes de Coordination

Analyse du complexe \([Co(NH_3)_4Cl_2]^+\)

Question 1 : Identification des ligands dans \([Co(NH_3)_4Cl_2]^+\)

Principe :

Les ligands sont les ions ou molécules directement liés à l'atome central. Dans la formule d'un complexe, ils sont écrits à l'intérieur des crochets, après le symbole de l'atome central.

Analyse :

En examinant la formule \([Co(NH_3)_4Cl_2]^+\), les espèces entourant le cobalt (\(\text{Co}\)) sont \(\text{NH}_3\) et \(\text{Cl}\).

Résultat Question 1 : Les ligands sont l'ammoniac (\(\text{NH}_3\)) et l'ion chlorure (\(\text{Cl}\)).

Question 2 : Denticité et charge des ligands dans \([Co(NH_3)_4Cl_2]^+\)

Principe :

La denticité indique le nombre de sites de liaison qu'un ligand utilise pour se lier à l'atome central. Les charges sont celles des ligands individuels avant la formation du complexe.

Données spécifiques (et connaissances générales) :
  • \(\text{NH}_3\) (ammoniac) : C'est une molécule neutre. Chaque molécule d'\(\text{NH}_3\) possède un atome d'azote avec un doublet non liant, capable de former une seule liaison de coordination. C'est donc un ligand monodentate. Charge = 0.
  • \(\text{Cl}\) (chlorure) : C'est un ion \(\text{Cl}^-\). Il forme une seule liaison de coordination. C'est donc un ligand monodentate. Charge = -1.
Résultat Question 2 :
  • Ligand \(\text{NH}_3\) : monodentate, charge 0.
  • Ligand \(\text{Cl}\) : monodentate, charge -1.

Question 3 : Nombre de coordination du cobalt dans \([Co(NH_3)_4Cl_2]^+\)

Principe :

Le nombre de coordination est le nombre total de liaisons sigma formées entre l'atome central et les atomes donneurs des ligands. Il est égal à la somme des (nombre de ligands de type X × denticité du ligand X).

Données spécifiques :
  • Nombre de ligands \(\text{NH}_3\) : 4 (chacun monodentate)
  • Nombre de ligands \(\text{Cl}\) : 2 (chacun monodentate)
Calcul :
\[ \begin{aligned} \text{Nombre de coordination} &= (\text{Nombre de } NH_3 \times \text{Denticité de } NH_3) + (\text{Nombre de } Cl \times \text{Denticité de } Cl) \\ &= (4 \times 1) + (2 \times 1) \\ &= 4 + 2 \\ &= 6 \end{aligned} \]
Résultat Question 3 : Le nombre de coordination du cobalt est 6.

Quiz Intermédiaire 1 : Un ligand bidentate compte pour combien dans le calcul du nombre de coordination ?

Question 4 : État d'oxydation du cobalt dans \([Co(NH_3)_4Cl_2]^+\)

Principe :

L'état d'oxydation de l'atome central est la charge qu'il porterait si tous les ligands étaient retirés avec les paires d'électrons des liaisons. La somme des états d'oxydation de l'atome central et des charges de tous les ligands est égale à la charge globale du complexe.

Formule(s) utilisée(s) :

Soit \(x\) l'état d'oxydation du cobalt.

\[x + (4 \times \text{charge de } NH_3) + (2 \times \text{charge de } Cl) = \text{Charge du complexe}\]
Données spécifiques :
  • Charge de \(\text{NH}_3\) : 0
  • Charge de \(\text{Cl}\) : -1
  • Charge du complexe : +1
Calcul :
\[ \begin{aligned} x + (4 \times 0) + (2 \times -1) &= +1 \\ x + 0 - 2 &= +1 \\ x - 2 &= +1 \\ x &= +1 + 2 \\ x &= +3 \end{aligned} \]
Résultat Question 4 : L'état d'oxydation du cobalt (\(\text{Co}\)) est +III.

Analyse du complexe \([Fe(CN)_6]^{4-}\)

Question 5 : Nombre de coordination du fer dans \([Fe(CN)_6]^{4-}\)

Principe :

Le ligand cyanure (\(\text{CN}^-\)) est monodentate. Le nombre de coordination est le nombre de ligands \(\text{CN}^-\) multiplié par leur denticité (1).

Données spécifiques :
  • Nombre de ligands \(\text{CN}^-\) : 6
  • Denticité de \(\text{CN}^-\) : 1
Calcul :
\[ \begin{aligned} \text{Nombre de coordination} &= 6 \times 1 \\ &= 6 \end{aligned} \]
Résultat Question 5 : Le nombre de coordination du fer est 6.

Question 6 : État d'oxydation du fer dans \([Fe(CN)_6]^{4-}\)

Principe :

Soit \(y\) l'état d'oxydation du fer. La somme des états d'oxydation est égale à la charge du complexe.

Formule(s) utilisée(s) :
\[y + (6 \times \text{charge de } CN^-) = \text{Charge du complexe}\]
Données spécifiques :
  • Charge de \(\text{CN}^-\) : -1
  • Charge du complexe : -4
Calcul :
\[ \begin{aligned} y + (6 \times -1) &= -4 \\ y - 6 &= -4 \\ y &= -4 + 6 \\ y &= +2 \end{aligned} \]
Résultat Question 6 : L'état d'oxydation du fer (\(\text{Fe}\)) est +II.

Quiz Intermédiaire 2 : L'ion cyanure \(\text{CN}^-\) est-il un ligand neutre ou chargé ?

Analyse du complexe \([Cu(en)_2]^{2+}\)

Question 7 : Nombre de coordination du cuivre dans \([Cu(en)_2]^{2+}\)

Principe :

Le ligand éthylènediamine (\(\text{en}\)) est bidentate, ce qui signifie qu'il forme deux liaisons avec l'atome central. Le nombre de coordination est le nombre de ligands \(\text{en}\) multiplié par leur denticité (2).

Données spécifiques :
  • Nombre de ligands \(\text{en}\) : 2
  • Denticité de \(\text{en}\) : 2
Calcul :
\[ \begin{aligned} \text{Nombre de coordination} &= 2 \times 2 \\ &= 4 \end{aligned} \]
Résultat Question 7 : Le nombre de coordination du cuivre est 4.

Quiz Rapide : Testez vos connaissances (Récapitulatif)

1. Un ligand est une espèce qui :

2. Le nombre de coordination d'un atome central dans un complexe est :

3. Dans le complexe \([Ni(CO)_4]\), le ligand \(\text{CO}\) (monoxyde de carbone) est neutre et monodentate. Quel est l'état d'oxydation du nickel (\(\text{Ni}\)) ?

Glossaire

Atome/Ion Central
L'atome ou l'ion (généralement un métal) au centre d'un complexe de coordination, auquel les ligands sont liés.
Ligand
Ion ou molécule qui se lie à un atome central en lui donnant un ou plusieurs doublets d'électrons pour former une liaison de coordination.
Liaison de Coordination (ou Dative)
Type de liaison covalente où les deux électrons partagés proviennent d'un seul des atomes liés (l'atome donneur du ligand).
Nombre de Coordination
Nombre total d'atomes donneurs des ligands directement liés à l'atome central. C'est le nombre de liaisons sigma formées entre le centre métallique et les ligands.
Denticité
Nombre d'atomes donneurs qu'un seul ligand utilise pour se lier à l'atome central. Un ligand est monodentate (1 site de liaison), bidentate (2 sites), tridentate (3 sites), etc. Les ligands polydentates sont aussi appelés agents chélatants.
Complexe de Coordination (ou Ion Complexe)
Espèce chimique formée d'un atome ou ion central lié à un ensemble de ligands. Si le complexe porte une charge nette, il est appelé un ion complexe.
État d'Oxydation (ou Nombre d'Oxydation)
Charge hypothétique qu'un atome aurait si toutes ses liaisons avec des atomes d'éléments différents étaient 100% ioniques. Dans un complexe, il est calculé en considérant les charges des ligands et la charge globale du complexe.
Ligands et Nombres de Coordination en Chimie Inorganique

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