8- Espinelas ou espinélios são sólidos com a fórmula geral M^2+ (em que M^3+ e Fe3 O4 podem ser cátions do mesmo metal ou de diferentes metais). O exemplo mais conhecido é a magnetita comum, [que você pode formular como .
a) Dado o seu nome, é evidente que a magnetita é ferromagnética. Quantos elétrons desemparelhados existem nos íons ferro(II) e ferro(III)?
b) Qual é a forma mais estável do íon de ferro? Justifique sua resposta.

Passo 1

Beleza, aqui a ideia é química de metais de transição: a magnetita é um óxido tipo espinela com fórmula geral . No nosso caso, é .
Conteúdo: configuração eletrônica de íons de ferro, regra de Hund (número de elétrons desemparelhados) e estabilidade de estados de oxidação.
O que vamos precisar:
  • Saber como achar a configuração eletrônica de (d^6) e (d^5).
  • Aplicar Hund para descobrir quantos elétrons ficam desemparelhados.
  • Justificar por que d^5 é mais estável (meio preenchimento).

Passo 2

Primeiro, vamos olhar a configuração eletrônica do ferro neutro:
é de número atômico 26, então a configuração termina em .
Quando perdemos elétrons para formar íons:
  • perde 2 elétrons, saindo dos orbitais 4s primeiro, ficando .
  • perde mais um elétron (agora do 3d), ficando .

Passo 3

Agora, número de elétrons desemparelhados: regra de Hund diz que, dentro de um subnível (3d), a gente coloca um elétron em cada orbital antes de emparelhar.
  • Para d^6 (seis elétrons no conjunto 5 orbitais 3d):
    1. Preenchemos cada um dos 5 orbitais com 1 elétron (ficam 5 elétrons sem par).
    2. O 6º elétron tem de entrar em algum orbital já ocupado, formando 1 par.
      Total = 4 orbitais com elétron único + 1 orbital com par → 4 elétrons desemparelhados.
  • Para d^5 (cinco elétrons no conjunto de 5 orbitais 3d):
    Cada elétron vai em um orbital diferente, sem formar pares.
    Total = 5 elétrons desemparelhados.

Passo 4

Parte (b): “forma mais estável do íon de ferro” quer dizer: será que ou é mais fácil de existir?
Teoria envolvida:
  • Configurações meio-cheias (d^5) ou totalmente cheias (d^{10}) são especialmente estáveis devido a maior simetria e menor energia interna.
  • Além disso, tem raio iônico menor, ligando-se mais fortemente a ligantes (hidratação, ligações iônicas), sendo termodinamicamente mais estável.
Portanto, (d^5) é a forma mais estável.

Resposta

a) (d^6) tem 4 elétrons desemparelhados; (d^5) tem 5 elétrons desemparelhados.
b) A forma mais estável é , pois a configuração d^5 meio-cheia dá estabilização extra (simetria e maior energia de ligação).

Exercícios relacionados