EDTA: struttura, equilibri, siti di coordinazione

L’EDTA ovvero l’acido etilendiamminotetraacetico,  è un acido poli amminocarbossilico incolore e solubile in acqua sintetizzato per la prima volta dal chimico austriaco Ferdinand Münz.
La sua base coniugata è l’etilendiamminotetracetato, agente chelante esadentato che ha quindi la capacità di “sequestrare” ioni metallici quali Ca²⁺, Mg²⁺ e Fe³⁺.

L’EDTA è un agente chelante versatile potendo formare quattro o sei legami con lo ione metallico ed è usato frequentemente nei saponi e nei detergenti in quanto forma complessi sia con lo ione Ca²⁺ che con lo ione Mg²⁺ che sono presenti nelle acque dure e che possono limitare la loro azione. L’EDTA si lega ad essi prevenendo qualunque interferenza.

L’uso dell’EDTA quale agente complessante è dovuto al fatto che esso forma complessi con i cationi in rapporto di 1:1 a prescindere dal numero di ossidazione dello ione. Viene utilizzato nelle titolazioni complessometriche ed in particolare per la determinazione degli ioni Ca²⁺e Mg²⁺ e pertantper la determinazione della durezza dell’acqua.

Equilibri

Detto M il metallo e H₂Y^2- l’anione del sale disodico si ha:

M²⁺ + H₂Y^2-  ⇄ MY^2- + 2 H⁺

M³⁺ + H₂Y^2-  ⇄ MY^– + 2 H⁺

M⁴⁺ + H₂Y^2-  ⇄ MY+ 2 H⁺

A causa della presenza di quattro gruppi carbossilici in acqua l’EDTA dà luogo a quattro equilibri di dissociazione:
H₄Y ⇄ H₃Y^– + H⁺

H₃Y^–  ⇄ H₂Y^2- + H⁺

H₂Y^2- ⇄ HY^3- + H⁺

HY^3- ⇄ Y^4- + H⁺

Dove Y^4- rappresenta la forma totalmente deprotonata dell’acido etilendiamminotetraacetico. Questi equilibri sono regolati da quattro costanti: pK_a1 = 2.0, pK_a2 = 2.67, pK_a3 = 6.16 e pK_a4 = 10.26.

Pertanto la forza e la stabilità dei complessi formati è dipendente dal pH. Poiché il potere complessante di Y^4- è molto elevato si preferisce operare a valori di pH basici infatti a valori di pH minori, quando [Y^4-] è bassa la costante di stabilità dei complessi è minore. Si opera in genere in soluzioni tamponate a un valore di pH per il quale il complesso è stabile e per le titolazioni complessometriche a valori in cui il cambiamento di colore dell’indicatore appare più evidente.

L’equazione generale per la formazione di un complesso 1:1 è:
M + Y ⇄ MY

Dove M è lo ione metallico e Y è l’agente chelante. La costante di formazione è data da:
K = [MY]/[M][Y]

Stante la struttura dell’EDTA  esso ha 4 gruppi carbossilati –COO^– e 2 gruppi amminici che fungono da elettrondonatori e pertanto il complesso risultante a forma di gabbia è particolarmente stabile.

Siti di coordinazione dell’EDTA

Il numero dei siti di coordinazione dipende dalle dimensioni dello ione metallico sebbene tutti i complessi metallo-EDTA hanno una stechiometria di 1:1 come, ad esempio, la complessazione dello ione cadmio con EDTA:

Cd²⁺ + H₄Y ⇄ CdH₂Y + 2 HCl

La costante di formazione relative a questo equilibrio

K_f = [CdY^2-]/[Cd²⁺][Y^4-]

è pari a 2.9 ∙ 10¹⁶ e ciò indica che l’equilibrio è spostato verso destra.

Oltre alle proprietà di legante l’EDTA è un acido debole: la forma totalmente protonata dell’EDTA ovvero H₆Y²⁺ è un acido debole esaprotico con pK_a pari a:

pK_a1 = 0.0; pK_a2= 1.5; pK_a3 = 2.0; pK_a4 = 2.68; pK_a5 = 6.11 e pK_a6 = 10.17

I primi quattro valori sono relativi ai protoni carbossilici mentre gli ultimi due valori sono relativi ai protoni legati all’azoto. Da tali valori si evince che Y^4- diventa la forma predominante a valori di pH maggiori di 10.17.