Chimica di coordinazione e complessi metallici

Il rosso del sangue, il verde delle piante, i pigmenti, molti farmaci e catalizzatori industriali hanno qualcosa in comune: sono complessi di coordinazione, strutture in cui un atomo metallico centrale è circondato da molecole o ioni che gli si legano. La chimica di coordinazione studia questi composti affascinanti e onnipresenti, che stanno a metà tra la chimica inorganica e quella biologica.

Vediamo che cos’è un complesso, il ruolo di metallo e leganti, il numero di coordinazione e perché questi composti sono così importanti.

Che cos’è un complesso di coordinazione

Un complesso di coordinazione è formato da un atomo o ione metallico centrale al quale sono legati uno o più leganti (ioni o molecole). Il legame che li unisce è un caso particolare di legame covalente, detto legame dativo o di coordinazione, in cui è il legante a fornire entrambi gli elettroni della coppia condivisa. È esattamente la situazione descritta dalla teoria acido-base di Lewis: il metallo è l’acido (accetta la coppia), il legante è la base (la dona). La formazione di un complesso si può scrivere così:

Mⁿ⁺  +  m L  ⇌  [ML_m]ⁿ⁺  (m = numero di coordinazione)

Il numero di coordinazione

Il numero di coordinazione è il numero di leganti direttamente legati al metallo centrale. I valori più comuni sono 4 e 6, ai quali corrispondono geometrie precise: il numero di coordinazione 6 dà tipicamente una geometria ottaedrica, il 4 una geometria tetraedrica o quadrata planare. La geometria del complesso, come per le molecole semplici, ne influenza fortemente le proprietà.

Leganti monodentati e chelanti

I leganti si distinguono per quanti “agganci” formano col metallo. Un legante monodentato si lega in un solo punto (come l’acqua o l’ammoniaca); un legante polidentato o chelante si lega in più punti contemporaneamente, “abbracciando” il metallo come una pinza (dal greco chelè, chela). I complessi con leganti chelanti sono particolarmente stabili — un fenomeno noto come effetto chelato — e questo li rende preziosi in moltissime applicazioni, dalla medicina all’industria alimentare, fino al trattamento e all’addolcimento delle acque.

Dove si incontrano i complessi

Perché conta nella pratica

La chimica di coordinazione è una delle aree più ricche di applicazioni: catalizzatori industriali (gran parte dei processi chimici moderni usa complessi metallici), pigmenti e coloranti, agenti chelanti per il trattamento delle acque e per la medicina, farmaci antitumorali a base di platino, materiali magnetici e ottici. La capacità dei metalli di transizione di formare complessi con geometrie e proprietà controllabili li rende strumenti versatili. Per chi lavora nell’industria chimica, riconoscere un complesso e capirne la stabilità è spesso la chiave per controllare un processo o per gestire la presenza di metalli in un sistema.

La costante di formazione

La stabilità di un complesso si quantifica con la costante di formazione (o di stabilità): la costante di equilibrio della reazione tra il metallo e i suoi leganti. Un valore elevato indica un complesso molto stabile, in cui il metallo è saldamente “trattenuto” dai leganti. Questo concetto ha conseguenze pratiche dirette: spiega perché un legante chelante come l’EDTA riesca a strappare un metallo da un complesso più debole, ed è il fondamento delle separazioni analitiche e dei trattamenti che si basano sul sequestro selettivo degli ioni metallici. Conoscere e confrontare le costanti di formazione permette di prevedere quale complesso si formerà quando più leganti competono per lo stesso metallo, una situazione frequentissima sia nei sistemi biologici sia nei processi industriali e di trattamento delle acque.

Domande frequenti

Che cos’è un complesso di coordinazione?

È un composto in cui un atomo o ione metallico centrale è legato a uno o più leganti (ioni o molecole) tramite legami dativi, in cui è il legante a fornire la coppia di elettroni condivisa. Il metallo agisce da acido di Lewis, i leganti da basi di Lewis.

Che cos’è un legante?

È uno ione o una molecola che si lega all’atomo metallico centrale di un complesso, donandogli una coppia di elettroni. Possiede almeno un atomo con una coppia elettronica disponibile, come l’azoto dell’ammoniaca o l’ossigeno dell’acqua. Può legarsi in uno o più punti.

Che cos’è il numero di coordinazione?

È il numero di leganti direttamente legati all’atomo metallico centrale. I valori più comuni sono 4 e 6: al 6 corrisponde di norma una geometria ottaedrica, al 4 una geometria tetraedrica o quadrata planare. Determina in gran parte la struttura del complesso.

Che cosa sono i leganti chelanti?

Sono leganti che si legano al metallo in più punti contemporaneamente, “abbracciandolo” come una pinza. I complessi che formano sono particolarmente stabili (effetto chelato). L’EDTA è l’esempio più noto, usato per sequestrare ioni metallici nell’acqua, negli alimenti e in medicina.

Dove si trovano i complessi di coordinazione?

Ovunque: l’emoglobina (complesso di ferro) trasporta l’ossigeno nel sangue, la clorofilla (magnesio) realizza la fotosintesi, la vitamina B12 contiene cobalto, e moltissimi catalizzatori industriali e farmaci sono complessi metallici. Sono strutture fondamentali sia in biologia sia nell’industria.