Le nombre de coordination d un cation, NC, est le nombre de liaisons covalentes qu il peut former avec un donneur de paires d électrons:
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- Pascale Patel
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1 Les réactifs complexométriques sont fréquemment utilisés pour doser les cations; il s agit principalement de composés organiques comportant des groupes donneurs d électrons qui forment des liaisons covalentes avec l ion métallique; ils sont appelés ligands.edta 4 est en fait un système hexaprotique H 6 Y 2+. Cependant les espèces H 6 Y 2+ et H 5 Y + n existent, de manière significative, que pour des ph fortement acides; les titrages par H 2 EDTA 2 ne se font pas dans des milieux aussi acides. Le nombre de coordination d un cation, NC, est le nombre de liaisons covalentes qu il peut former avec un donneur de paires d électrons: Les méthodes complexométriques sont des méthodes titrimétriques faisant intervenir des réactions de formation de complexes. Un chélate est un complexe cyclique (5 à 6 membres) formé lorsqu un cation et lié par deux ou plus groupes donneurs faisant partie du même ligand. Un ligand avec 1 seul groupe donneur unidenté; ex. NH 3 2 groupes donneurs bidenté; ex. glycine 3 groupes donneurs tridenté 4 groupes donneurs tetradenté 5 groupes donneurs pentadenté 6 groupes donneurs hexadenté Les ligands tétradentés et hexadentés sont de meilleurs titrants que les ligands ayant un nombre de groupes donneurs inférieurs, car: ils réagissent plus complètement avec le cation ils forment préférentiellement des complexes 1:1 Analytical Toxicology - Titrages complexométriques 1
2 Sommaire 1 Les titrages par les acides aminocarboxyliques 1.1 Acide éthylènediaminetétracétique (H4EDTA) 1.2 Réactifs 2 Les complexes de l EDTA et des ions métalliques 3 Les équilibres en présence d EDTA 4 Calcul des valeurs de α4 pour des solutions d EDTA 4.1 Calcul des valeurs de α4 pour des solutions d EDTA4-5 Calcul de [Mn+] dans une solution d EDTA 6 Les courbes de titrage par l EDTA 7 Effet du ph sur la courbe de titrage 7.1 ph minimum requis pour réaliser le titrage satisfaisant de divers cations der l EDTA 7.2 L effet d autres agents complexants sur les courbes de titrage par l EDTA 8 Les indicateurs employés dans les titrages par l EDTA 9 Les méthodes de titrage utilisant l EDTA 9.1 Titrage direct 9.2 Titrage par déplacement Analytical Toxicology - Titrages complexométriques 2
3 9.3 Titrage par différence (voir méthodes titrimétriques) 9.4 Masquage 10 Détermination de la dureté de l eau 11 Les titrages des complexants inorganiques 12 Les agents complexants utilisés en médecine Les titrages par les acides aminocarboxyliques Les composés comportant des amines tertiaires, ainsi que des groupes carboxyliques forment des chélates remarquablement stables (Schwarzenbach, 1945). Utilisation pour des dosages volumétriques de la plupart des cations du Tableau Périodique. Acide éthylènediaminetétracétique (H 4 EDTA) Ligand hexadenté: 4 groupes carboxyliques + 2 groupes amines Quand H 4 EDTA est dissous dans H 2 O, il s comporte comme un acide aminé (double zwitterion, molécule H 4 Y, ci-dessous) : Analytical Toxicology - Titrages complexométriques 3
4 Composition de solutions d EDTA 4 en fonction du ph EDTA 4 est en fait un système hexaprotique H 6 Y 2+. Cependant les espèces H 6 Y 2+ et H 5 Y + n existent, de manière significative, que pour des ph fortement acides; les titrages par H 2 EDTA 2 ne se font pas dans des milieux aussi acides. Analytical Toxicology - Titrages complexométriques 4
5 Réactifs Le titre réel des solutions d EDTA préparées par pesée exacte de Na 2 H 2 (EDTA) 2 H 2 O ou de H 4 (EDTA) peut différer jusqu à 1 % du titre calculé; pour les dosages exigeant une précision plus grande, on détermine le titre de la solution par titrage d une solution standard de zinc (ex. K 2 SO 4 ZnSO 4 ). Autre réactif: Acide nitrilotriacétique Les complexes de l EDTA et des ions métalliques EDTA se combine avec les ions métalliques dans un rapport 1:1 1) EDTA 4 forme des chélates avec «tous les cations» métalliques. 2) Ces chélates sont suffisamment stables pour établir une méthode titrimétrique. 3) La stabilité résulte de: plusieurs sites complexant (6) structure en forme de «cage» Analytical Toxicology - Titrages complexométriques 5
6 Les équilibres en présence d EDTA Une courbe de titrage d un cation par EDTA consiste en un graphe de pm en fonction du volume de réactif. A une température donnée, la position de l équilibre dépend de la stabilité du complexe et du ph de la solution les titrages par EDTA 4 se font toujours en milieu tamponné. Constantes de formation conditionnelles ou effectives; Cette constante n est valable que pour un seul et unique ph. Analytical Toxicology - Titrages complexométriques 6
7 Avec K MY la constante de formation effective décrit la relation d équilibre applicable uniquement au ph pour lequel α 4 a été déterminé. Calcul des valeurs de α 4 pour des solutions d EDTA Calcul des valeurs de α 4 pour des solutions d EDTA 4- Les valeurs de α pour les autres espèces d EDTA s obtiennent de la manière suivante: Analytical Toxicology - Titrages complexométriques 7
8 Mais seul α 4 est nécessaire pour établir la courbe de titrage. Calcul de [M n+ ] dans une solution d EDTA Calculer la concentration à l équilibre de Ni 2+ dans une solution contenant une concentration analytique de NiY 2- de M à ph 3.0. Analytical Toxicology - Titrages complexométriques 8
9 Calculer la concentration de Ni 2+ dans une solution préparée en mélangeant 50.0 ml de Ni M avec 50.0 ml d EDTA M. Le mélange est tamponné à ph Analytical Toxicology - Titrages complexométriques 9
10 Les courbes de titrage par l EDTA Exemple: Calculer la courbe (pca en fonction du volume d EDTA) de titrage de 50.0 ml de Ca M par EDTA M dans une solution tamponnée à ph 10.0 (K MY = ). Analytical Toxicology - Titrages complexométriques 10
11 Courbe de titrage à ph 10 par l EDTA de 50.0 ml de solution, respectivement: A) M en Ca 2+ (K pour CaY 2- = ); B) M en Mg 2+ (K pour MyY 2- = ). Analytical Toxicology - Titrages complexométriques 11
12 Indicateur: Noir Eriochrome T (virage est fonction de M 2+ ). La surface colorée indique la zone de virage de l indicateur. Effet du ph sur la courbe de titrage Influence du ph sur le titrage de 50.0 ml de Ca M par l EDTA M : Analytical Toxicology - Titrages complexométriques 12
13 Courbe de titrage par EDTA de 50.0 ml d une solution d un cation M à ph 6.0 Note : Les cations ayant une grande constante de formation donnent une fin de titrage satisfaisante même à un ph acide. ph minimum requis pour réaliser le titrage satisfaisant de divers cations der l EDTA Analytical Toxicology - Titrages complexométriques 13
14 Note : Pour les cations divalents des métaux lourds, un milieu modérément acide est satisfaisant, alors qu un milieu fortement acide est supporté pour des ions tels que Fe(III) ou In(III). L effet d autres agents complexants sur les courbes de titrage par l EDTA De nombreux cations précipitent sous forme d hydroxydes au ph requis pour leur dosage par EDTA. Un agent complexant auxiliaire est nécessaire pour conserver le cation en solution. Ex.: Zn 2+ est généralement titré dans un milieu NH 4+ /NH 3 A ph 10 la réaction entre Zn 2+ et EDTA est complète. Analytical Toxicology - Titrages complexométriques 14
15 NH 3 forme des complexes avec Zn 2+ et évite la précipitation de Zn 2+ sous la forme d hydroxydes. Une description quantitative des effets de l agent complexant auxiliaire peut être dérivée d une procédure similaire à celle utilisée pour déterminer l influence du ph sur EDTA. Exemple: Détermination de la courbe de titrage de 50.0 ml de Zn M par EDTA M. Les deux solutions de Zn 2+ et d EDTA contiennent M NH 3 et M en NH 4 Cl pour tamponner le système à un ph de 9.0 (K ZnY 2 = et α 4 (ph = 9.0) = ). Les logarithmes des constantes de formation des 4 complexes de Zn 2+ avec NH 3 valent 2.21, 2.29, 2.36 et 2.03, d où: Analytical Toxicology - Titrages complexométriques 15
16 Analytical Toxicology - Titrages complexométriques 16
17 Les indicateurs employés dans les titrages par l EDTA En général, les indicateurs utilisés sont des colorants organiques, qui forment des chélates colorés avec les ions métalliques dans un domaine de pm qui est caractéristique du cation et de l indicateur. Les complexes formés sont fortement colorés et détectables visuellement à des concentrations de 10 6 à 10 7 M. Exemple: Noir d ériochrome T. Analytical Toxicology - Titrages complexométriques 17
18 Les complexes métalliques M II In sont généralement rouges, comme pour H 2 In Ajuster le ph à 7 HIn 2 (bleu) prédomine en absence de ions métalliques. Les méthodes de titrage utilisant l EDTA Titrage direct a) Méthodes basées sur des indicateurs pour le ion-analyte (40 éléments) pas applicable pour tous les cations car il n existe pas d indicateurs adaptés pour tous les analytes ou parce que la réaction entre le ion métallique et EDTA est trop lente. b) Méthodes basées sur des indicateurs pour un ion métallique ajouté Une petite quantité d un cation (sous forme de complexe EDTA moins stable que l analyte) possédant un bon indicateur est ajouté à la solution d EDTA. Ex: titrage de Ca 2+ Analytical Toxicology - Titrages complexométriques 18
19 c) Méthodes potentiométriques Nécessite des électrodes spécifiques pour les ions métalliques titrés. Titrage par déplacement Utilisé si aucun indicateur adapté pour l analyte. Principe: un excès non mesuré d une solution contenant le complexe de Mg 2+ par exemple avec EDTA est introduit dans la solution de l analyte. si l analyte forme un complexe plus stable: le Mg 2+ libéré est titré avec une solution étalon d EDTA. Titrage par différence (voir méthodes titrimétriques) Masquage Un agent masquant est une réactif qui évite que l analyte et d autres cations réagissent simultanément avec EDTA. Par exemple, Al 3+ réagit avec F pour former un complexe très stable, AlF 6 3. Le Mg 2+, d un mélange Al 3+ et Mg 2+, peut ainsi être titré en masquant d abord Al 3+ par F. Détermination de la dureté de l eau Historiquement, la «dureté» de l eau était définie pour tenir compte de la capacité des cations présents dans l eau, à remplacer les ions Na + et K + des savons, pour former des composés peu solubles. La plupart des cations divalents et plus, partagent cette propriété indésirable. Analytical Toxicology - Titrages complexométriques 19
20 Dans les eaux naturelles, Ca 2+ et Mg 2+ ont des concentrations considérablement plus élevée que n importe quel autre cation. En conséquence, la «dureté» est aujourd hui définie par la concentration hypothétique en CaCO 3 (mg de CaCO 3 par 100 ml d H 2 O degrés français) qui serait équivalente à la concentration de tous les cations polyvalents présents dans la solution. Le titrage de «l eau dure» se fait par EDTA à ph 10, et en présence d indicateur mixte noir d ériochrome T + jaune de méthyle. Pour pouvoir effectuer le dosage à ph 10, on ajoute un peu de H 2 [Mg(EDTA)] 6H 2 O ou de K 2 [Mg(EDTA)] H 2 O et on effectue un titrage de déplacement. Les titrages des complexants inorganiques Les agents complexants utilisés en médecine Dans le système circulatoire humain, l oxygène est transporté par la protéine hémoglobine contenant du fer. L hémoglobine consiste en deux paires de sous-unités, désignées α et β. La β-thalassémie est une maladie génétique; les unités β de l hémoglobine ne sont plus synthétisées dans des proportions adéquates. Les enfants affectés par cette maladie ne peuvent survivre que grâce à de fréquentes transfusions. La conséquence de ce traitement est que le patient accumule 4 à 8 g de fer par an de l hémoglobine du sang transfusé. Le corps ne peut extraire de telles quantités. La plupart des victimes de la thalassémie mourrait à l âge d environ 20 ans, conséquences de la surcharge de fer. Analytical Toxicology - Titrages complexométriques 20
21 Afin d aider le corps à extraire le fer, une intense thérapie de complexation est utilisée. Le médicament qui connaît le plus de succès est la desferrioxamine B, isolée du bactère. Utilisée en parallèle avec l acide ascorbique (vitamine C) pour réduire Fe(III) Fe(II), (Fe(II)-desferrioxamine est plus soluble), cet agent complexant est capable d extraire plusieurs grammes de fer par an. Ce complexe est excrété dans les urines. Le médicament est coûteux et doit être injecté (molécule trop grande pour être absorbée au travers des intestins). Des efforts sont faits pour trouver un nouvel agent qui peut être administré oralement. Analytical Toxicology - Titrages complexométriques 21
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