8- Espinelas ou espinélios são sólidos com a fórmula geral
(em que
e
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.
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:
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):
- Preenchemos cada um dos 5 orbitais com 1 elétron (ficam 5 elétrons sem par).
- 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).
b) A forma mais estável é