Reacções de Complexação em água

A água contém diferentes tipos de iões metálicos que existem em numerosas formas. Uma água não poluída e os sistemas biológicos contêm iões metálicos: Mg2+_{, Ca}2+_{, Mn}2+_{, Fe}2+_,

Fe3+, Cu2+, Zn2+, VO2+ e numa água contaminada existem os seguintes iões metálicos Co2+_{, Ni}2+_{, Sr}2+_{, Cd}2+_{, e Ba}2+_.

Todos os iões de metais em água existem ligados, ou coordenados a outras espécies como água ou outras bases mais fortes que estejam presentes na água. Os metais também podem existir reversivelmente em água como aniões inorgânicos ou compostos orgânicos como metais complexos. Por exemplo, o ião cianeto pode unir o ferro (II) dissolvido pela doação de um par de electrões:

Uma das moléculas de água é Fe(H2O)62+ é substituído por um ião cianeto para formar

FeCN(H2O)5+. A adição de iões cianetos pode substituir as restantes moléculas de água

formando respectivamente Fe(CN)2(H2O)4, Fe(CN)3(H2O)3-, Fe(CN)4(H2O)22-,

Fe(CN)5(H2O)3- e Fe(CN)6 4-. O tipo de reacção que aconteceu entre os iões CN- e

hidratado Fe2+ _{é chamado complexação. O produto da reacção, FeCN(H}

2O)5+ da equação

anterior, é conhecido como um complexo, ião complexo ou compostos de coordenação. As espécies que doam o par de electrões ao ião metálico central, CN- _{no exemplo anterior,}

é chamado ligante. Neste exemplo o ião cianeto doa o único par de electrões ou possui somente um local que liga o ião metálico, e é conhecido como ligante unidentado. Existem ligantes que possuem mais de um local (mais do que um átomo) para formar a ligação com o ião metálico. Esses ligantes formam estruturas anelares complexas e são conhecidos como agentes quelados. As espécies formadas são conhecidas como quelados. Agentes quelados são potências poluentes da água. Eles ocorrem em afluentes de esgotos e águas residuais industriais como metais que abundam em água residual.

A complexação pode ter vários efeitos sobre a água. Pode causar mudanças no estado de oxidação do ião metálico e pode resultar na formação de uma espécie de metal mais solúvel de um composto insolúvel. Compostos complexos insolúveis removem os iões metálicos de solução. Por causa da sua capacidade de solubilizar metais pesados de chumbo, e de depósitos que contêm os agentes metálicos complexantes pesados e são principalmente interessantes na água residual. A complexação pode aumentar o lixiviamento de metais pesados de desperdício de locais de disposição e reduz a eficiência, com a qual os metais pesados são retirados com barro, em forma de desperdício num tratamento biológico convencional.

3.1.4.1 Estabilidade dos Complexos

A formação de um complexo de metal – ligante é descrita por uma constante de formação, Kf. O valor da constante de formação expressa a estabilidade do complexo. A constante de formação para a reacção de complexação entre Cd2+ _{e NH}

3, por exemplo é dado por:

A reacção de complexação entre Cd2+ _{e NH}

3 que incluindo muitas outras, acontece de uma

forma discreta e lenta. Por exemplo, a reacção entre Cd2+ _{e NH}

3 envolve quatro reacções

sucessivas que são mostradas pelas equações dadas abaixo:

Considerando que não está claro, que reacção é descrita pela constante de formação, as anteriores reacções sucessivas criam um problema. Para evitar isto, as constantes de formação são divididas em etapas com constantes de formação parciais e constantes de formação cumulativas ou globais.

As Constantes de formação parciais, designadas Ki para a primeira etapa, descreve a sucessiva adição de ligantes para o complexo de metal–ligante formado na primeira etapa e a constante de formação global ou cumulativa, que são designadas por ßi, descreve a adição de ligantes i para o ião metálico livre. Assim, as constantes de equilíbrio para as reacções 3.15 - 3.18 são, respectivamente, K1, K2, K3, e K4. As constantes de formação expressas para cada um dos passos são determinadas através das equações 3.19–3.22.

A expressão da constante de equilíbrio dada pela equação 3.14, é correctamente identificada como ß4, onde:

ß4 = K1 x K2 x K3 x K4

Em geral ßi = K1 x K2 x K3 x……… Ki

A constante de formação dada em 3.14, por exemplo, é determinada por:

Em valores de pH de 11 ou mais, o EDTA é completamente ionizado nos quatro locais da forma negativa, Y4-, como é ilustrado a seguir:

Um dos vários agentes complexantes encontrados em solução aquosa é ácido etilenodiaminotetra acético (EDTA). Muitos metais são conhecidos pelo facto de formarem quelatos com EDTA. Formando a estrutura dada abaixo:

O EDTA contém quatro átomos de hidrogénio substituíveis e dependendo do pH ele contém H4Y, H3Y-, H2Y2-, HY3- e Y4- em proporções diferentes. Em água, os iões

metálicos e de hidrogénio competem por Y4-_{. A valores mais baixos de pH, a forma}

protonada de EDTA domina a forma não protonada, porém, com o aumento do pH, a fracção de Y4- _{livre que pode ser complexada pelos iões metálicos aumenta. A valores de}

Exemplo: O Cobre reage com EDTA para formar CuY2- de acordo com a reacção

Cu2+ _{+ Y}4- _CuY2- _{K1 = 6.3 X 1018}

Uma água residual foi analisada para determinar a quantidade relativa de complexos EDTA-cobre e de Cobre não complexado livres e os resultados foram os seguintes:

pH = 11

Total Cu (II) = 5.0 mg/L

Excesso de EDTA livre = 200 mg/L (expresso como sal dissódio, Na2H2C10H12O8N2•2H2O

fórmula e peso 372).

A maioria do cobre estará presente como complexo EDTA ou na forma não complexa? Calcule a concentração do ião Cobre (II) hidratado no equilíbrio?

Solução

A pH 11, o EDTA existe na forma não complexa, como Y4-_{. Sua concentração molar,}

[Y4-_{] é determinado por:}

[Y4 -] = 0,2 g.L-1 _{= 5,4 .10}-4

372 g.mol-1

A constante de formação para a reacção, Cu2+ _{+ Y}4- _CuY2-_{, é determinada por}

K1 = [CuY2-_{] = 6,3.10}18

[Y4-_{] [Cu}2+_]

Desta equação, a razão entre o complexo de cobre e o cobre não complexo será: [CuY2 -_{] = 6,3.10}18 _{x [Y}4-_]

[Cu2+_]

Substituindo a [Y4 -_{] por 5,4.10}-4 _temos:

[CuY2 -_{] = 6,3.10}18 _{x 5,4.10}-4 _{= 3,4 x 10}15

[Cu2+_]

Este resultado indica que, o cobre que existe como ião complexo é extremamente maior que o cobre que existe na forma não complexa ou essencialmente, todo o cobre está presente na forma de ião complexo.

Teste Individual

Antes de ler os seguintes sub-tópicos escreva um parágrafo acerca do que você entende pela seguinte declaração:

“A poluição da água é avaliada dependendo do seu uso!” E avalia até que ponto você entendeu o resultado.