Diferencie os conceitos de campo cristalino forte e campo cristalino fraco. Quais são as consequências para o emparelhamento dos elétrons no metal central?
Passo 1
O enunciado pede que eu diferencie os conceitos de campo cristalino forte e campo cristalino fraco e explique quais são as consequências disso para o emparelhamento dos elétrons no metal central.
Informações relevantes que o enunciado dá ou implica (lista clara):
Informações relevantes que o enunciado dá ou implica (lista clara):
- Precisamos comparar dois “regimes” de interação entre ligantes e íon metálico: campo cristalino forte vs campo cristalino fraco.
- Devemos explicar como cada regime afeta o emparelhamento dos elétrons no orbital
do metal central. - É esperado que eu use conceitos como separação entre níveis
(energia de separação cristalina, normalmente chamada de ) e energia de emparelhamento .
Passo 2
O que é a separação entre níveis
(
) e o que é energia de emparelhamento
. Vou ensinar isso devagarinho.
- Quando ligantes se aproximam do íon metálico, os cinco orbitais
que eram degenerados se dividem em dois grupos de diferentes energias (isso depende da geometria, por exemplo octaédrica: níveis e ). A diferença de energia entre esses grupos é chamada de energia de separação cristalina, que vou denotar por . - A energia de emparelhamento
é a energia que custa colocar dois elétrons com spin oposto no mesmo orbital (devido à repulsão coulombiana e redução do ganho de troca/exchange). É uma propriedade do metal e do ambiente. - Intuição: se você tem dois “andares” (níveis
) separados por e quer colocar elétrons, pode colocá‑los emparelhando no andar inferior (custando por par) ou subir para o andar superior (custando por elétron). A competição entre e decide a configuração eletrônica.
Passo 3
Definição operacional de forte vs fraco campo cristalino (a regra prática).
- Campo cristalino forte: ocorre quando
. Ou seja, é energeticamente mais vantajoso emparelhar elétrons nos orbitais inferiores do que promovê‑los para os orbitais superiores. Resultado: muitos emparelhamentos — chamadas de configurações low‑spin (baixo spin). - Campo cristalino fraco: ocorre quando
. Ou seja, custa menos promover elétrons ao nível superior do que emparelhá‑los no inferior, então os elétrons preferem ocupar orbitais diferentes com spins paralelos — configurações high‑spin (alto spin). - Observação prática: ligantes têm “força” distinta — a série espectroquímica organiza ligantes do mais fraco ao mais forte (ex.:
, com e como fortes e , como fracos). Usei notação química dentro de TeX: , , etc.
Passo 4
Como preencher orbitais
(regra prática, sem pular passos). Vou usar o caso octaédrico porque é o mais comum.
- Em geometria octaédrica, os cinco
dividem‑se em (três orbitais, energia menor) e (dois orbitais, energia maior). A separação é . - Ao colocar
elétrons , a estratégia: primeiro coloque elétrons nos (nível inferior) até ocupá‑los segundo Hund se isso for vantajoso energeticamente; compare sempre custo de emparelhar ( ) com custo de pôr elétron em (subida de ). - Se
(campo forte): preenche‑se preferencialmente emparelhando antes de ocupar . Isso gera configurações low‑spin. - Se
(campo fraco): evita‑se emparelhar em ; em vez disso, promove‑se elétrons para para manter spins paralelos — configurações high‑spin.
Passo 5
Exemplos concretos de preenchimento para internalizar (vou explicar contagem de elétrons e número de elétrons desemparelhados). Use
para o número
.
- Exemplo
em entorno octaédrico: - Caso campo forte (
): preenchemos com 6 elétrons: . Todos emparelhados → spin total → diamagnético (low‑spin). - Caso campo fraco (
): maximiza‑se spin, preenche‑se como . Contagem de elétrons desemparelhados: em há 2 elétrons desemparelhados e em há 2 desemparelhados → total 4 elétrons desemparelhados → paramagnético (high‑spin).
- Caso campo forte (
- Exemplo
: - Campo forte:
→ normalmente 1 elétron desemparelhado (low‑spin). - Campo fraco:
(ou seja, cinco elétrons todos com spins majoritários) → 5 elétrons desemparelhados (high‑spin).
- Campo forte:
- Exemplo
: - Campo forte:
→ 2 elétrons desemparelhados. - Campo fraco:
→ 4 elétrons desemparelhados.
Esses exemplos mostram claramente: campo forte = mais emparelhamento (menos spins), campo fraco = menos emparelhamento (mais spins).
- Campo forte:
Passo 6
Relação com propriedades observáveis (por que isso importa na prova e na prática).
- Magnetismo: o número de elétrons desemparelhados dita o momento magnético. Low‑spin (campo forte) → poucos ou nenhum elétron desemparelhado → baixo momento magnético (às vezes diamagnético). High‑spin (campo fraco) → muitos elétrons desemparelhados → alto momento magnético (paramagnetismo).
- Cor:
tem energia que corresponde à frequência de luz absorvida em transições . Campo forte (grande ) desloca absorção para energias maiores (comprimentos de onda menores), afetando a cor. - Reatividade e geometria: ligantes fortes podem também estabilizar geometrias específicas (por ex., muitos complexos d^8 com ligantes fortes tornam‑se quadrado planares e low‑spin).
Passo 7
Efeito da geometria (comparação octaédrica vs tetraédrica vs quadrado planar) — para completar a intuição.
- Em tetraédrico a separação
é menor que a octaédrica e aproximadamente . Logo, tetraédrico normalmente gera high‑spin quase sempre (porque tende a ser menor que ). - Em quadrado planar (muito comum para
como ), a separação é muito grande para certos orbitais, favorecendo low‑spin e emparelhamento completo em muitos casos. - Conclusão prática: geometria altera
e, portanto, muda se o complexo será low‑spin ou high‑spin.
Passo 8
Exemplos reais que você pode lembrar para a prova (fácil memorização).
-
: ligante é forte → ( ) tende a ser low‑spin (diamagnético). -
: é um ligante fraco/intermediário → ( ) tende a ser high‑spin (paramagnético).
Esses dois são clássicos e mostram exatamente a mudança de emparelhamento causada pelos ligantes.
Passo 9
Regra prática rápida para resolver exercícios na prova (o que você deve fazer passo a passo, tipo checklist).
- Identifique o número de elétrons
do metal na valência dada. Escreva . - Determine a geometria (se for octaédrica, use
; se for tetraédrica, lembre que é pequena). - Identifique se os ligantes são tipicamente fortes ou fracos (use a série espectroquímica ou ligantes dados no enunciado).
- Compare mentalmente
com : se ligantes fortes → assumir (low‑spin); se fracos → (high‑spin). - Preencha os orbitais
e seguindo essa decisão e conte elétrons desemparelhados para responder sobre magnetismo/emparelhamento.
Siga esse fluxo na prova e você resolve essas questões rápido.
Passo 10
Resumo final pedagógico e encorajamento (bem objetivo, pra fixar).
- Campo cristalino forte:
→ emparelhamento favorecido → configurações low‑spin → menos elétrons desemparelhados → menor momento magnético. - Campo cristalino fraco:
→ emparelhamento desfavorecido → configurações high‑spin → mais elétrons desemparelhados → maior momento magnético.
Você já pode decorar essa regra e aplicar nos exemplos que eu dei. Vai dar certo — se travar na prova, siga o checklist do Passo 9.
Resposta
Campo cristalino forte:
; favorece emparelhamento dos elétrons no nível inferior (low‑spin) → menos elétrons desemparelhados (baixo momento magnético).
Campo cristalino fraco: ; desfavorece emparelhamento, elétrons ocupam níveis superiores com spins paralelos (high‑spin) → mais elétrons desemparelhados (alto momento magnético).
Campo cristalino fraco: