Complessi e composti di coordinazione: che cosa sono

Perché una soluzione di solfato di rame è azzurra, mentre il sale secco è quasi bianco? Perché l’emoglobina trasporta l’ossigeno e la clorofilla cattura la luce? Dietro fenomeni così diversi c’è la stessa idea chimica: uno ione metallico circondato e legato da altre molecole o ioni, in una struttura ordinata chiamata complesso o composto di coordinazione. È un capitolo della chimica che tocca pigmenti, catalizzatori, farmaci, analisi e biologia.

Vediamo che cos’è un complesso, da quali parti è fatto e perché questo modo di legarsi dà alle sostanze proprietà del tutto nuove rispetto ai componenti di partenza.

Che cos’è un complesso

Un complesso (o composto di coordinazione) è formato da un atomo o ione metallico centrale al quale si legano, in modo ordinato, un certo numero di molecole o ioni detti leganti. Il legame non è il classico legame covalente in cui ciascun atomo mette in comune un elettrone: è un legame dativo (o di coordinazione), in cui è il legante a fornire entrambi gli elettroni della coppia condivisa, comportandosi da base di Lewis, mentre il metallo li accetta, comportandosi da acido di Lewis. Questa è la chiave per capire tutta la chimica di coordinazione.

Mn+  +  x :L  →  [MLx]n+

Le parti di un complesso

Conviene dare un nome alle parti. Il centro metallico è di solito uno ione di un metallo di transizione (ferro, rame, cobalto, nichel, cromo, platino…), ricco di orbitali d capaci di accettare elettroni. I leganti sono molecole o ioni con almeno una coppia di elettroni disponibile: acqua, ammoniaca, ioni cloruro o cianuro, e molte molecole organiche. L’insieme del metallo con i leganti direttamente legati si chiama sfera di coordinazione e si scrive tra parentesi quadre. Eventuali ioni che bilanciano la carica ma non sono legati al metallo stanno fuori dalle parentesi.

Il numero di coordinazione

Una grandezza fondamentale è il numero di coordinazione: quanti leganti (più precisamente, quanti atomi donatori) sono direttamente legati al metallo. I valori più comuni sono 4 e 6, ma esistono complessi con numeri di coordinazione da 2 fino a 8 e oltre. Il numero di coordinazione determina la geometria del complesso — tetraedrica o planare quadrata per 4, ottaedrica per 6 — e influenza colore, reattività e proprietà magnetiche, come vedremo negli articoli dedicati.

Perché i complessi cambiano le proprietà

La cosa più affascinante è che legare un metallo a dei leganti gli conferisce proprietà completamente nuove. Cambia il colore, perché i leganti modificano i livelli energetici degli orbitali d del metallo. Cambia la solubilità: uno ione poco solubile può diventare solubilissimo una volta complessato (è il principio del sequestro dei metalli). Cambia la reattività: un metallo complessato può diventare un catalizzatore efficiente o, al contrario, essere «mascherato» e reso inerte. E cambia la stabilità: certi complessi sono così stabili da resistere a condizioni che distruggerebbero il metallo libero.

Perché conta nella pratica

La chimica di coordinazione è ovunque nell’industria e nella vita. I pigmenti devono i loro colori a complessi metallici; i catalizzatori di moltissimi processi industriali sono complessi; i chelanti come l’EDTA sequestrano ioni metallici nel trattamento delle acque, nei detergenti e negli alimenti; in analisi chimica i complessi colorati permettono di dosare i metalli; in medicina, farmaci come il cisplatino sono complessi. E in biologia, l’emoglobina, la clorofilla e moltissimi enzimi sono complessi metallici. Capire che cos’è un complesso è quindi la porta d’ingresso a un’enorme varietà di applicazioni concrete, che esploreremo in questo cluster.

Domande frequenti

Che cos’è un composto di coordinazione?

È un composto formato da un atomo o ione metallico centrale legato a un certo numero di molecole o ioni, detti leganti, tramite legami dativi. Il metallo accetta coppie di elettroni (acido di Lewis) e i leganti le donano (basi di Lewis). L’insieme è detto complesso e ha proprietà — colore, solubilità, reattività — diverse da quelle dei componenti separati.

Che cos’è un legante?

È una molecola o uno ione che possiede almeno una coppia di elettroni disponibile e la dona al metallo centrale, legandosi ad esso. Esempi comuni sono l’acqua, l’ammoniaca, gli ioni cloruro, cianuro e idrossido, e molte molecole organiche. I leganti possono legarsi al metallo in uno o più punti, e da questo dipendono molte proprietà del complesso.

Che cos’è la sfera di coordinazione?

È l’insieme dello ione metallico centrale e dei leganti direttamente legati a esso. Si rappresenta racchiudendola tra parentesi quadre, per esempio [Cu(NH₃)₄]²⁺. Gli ioni che bilanciano la carica ma non sono legati al metallo (i controioni) si scrivono fuori dalle parentesi e non fanno parte della sfera di coordinazione.

Che cos’è il numero di coordinazione?

È il numero di atomi donatori dei leganti direttamente legati allo ione metallico centrale. I valori più comuni sono 4 e 6, ma esistono complessi con numeri da 2 a 8 e oltre. Il numero di coordinazione determina la geometria del complesso (per esempio ottaedrica per 6) e influenza le sue proprietà.

Perché un complesso ha un colore diverso dal metallo libero?

Perché i leganti modificano i livelli energetici degli orbitali d del metallo, separandoli. Gli elettroni d possono assorbire luce di una particolare lunghezza d’onda per saltare tra questi livelli; la luce non assorbita determina il colore che vediamo. Cambiando i leganti cambia la separazione dei livelli e quindi il colore, come accade passando dal rame acquoso a quello amminico.