Explique porque soluções aquosas de cálcio(II) e de zinco(II) são incolores enquanto soluções de cobre(II) são azuis

Passo 1

O enunciado pede para entender por que soluções aquosas de \mathrm{Ca}^{2+} e \mathrm{Zn}^{2+} não têm cor, enquanto soluções de \mathrm{Cu}^{2+} são azuis. O conteúdo envolvido é química de coordenação e teoria do campo de ligantes: precisamos comparar as configurações eletrônicas desses íons e ver quando há transições eletrônicas que absorvem luz visível.

Passo 2

Determinar a configuração eletrônica de cada cátion em questão partindo dos átomos neutros:
– Átomo de cálcio tem configuração [\mathrm{Ar}]\,4s^2, logo \mathrm{Ca}^{2+} fica com [\mathrm{Ar}], ou seja, \mathrm{d}^0.
– Átomo de zinco tem configuração [\mathrm{Ar}]\,3d^{10}4s^2, logo \mathrm{Zn}^{2+} fica com [\mathrm{Ar}]\,3d^{10}, ou seja, \mathrm{d}^{10}.
– Átomo de cobre tem configuração [\mathrm{Ar}]\,3d^{10}4s^1, logo \mathrm{Cu}^{2+} fica com [\mathrm{Ar}]\,3d^9, ou seja, \mathrm{d}^9.

Passo 3

Explicar por que \mathrm{Ca}^{2+} e \mathrm{Zn}^{2+} são incolores:
Em complexos aquosos de coordenação, a cor surge sobretudo de transições eletrônicas internas aos orbitais d (chamadas transições d–d).
– Se o cátion é \mathrm{d}^0 (caso de \mathrm{Ca}^{2+}), não há elétrons em orbitais d para sofrer transição.
– Se o cátion é \mathrm{d}^{10} (caso de \mathrm{Zn}^{2+}), todos os cinco orbitais d estão completamente preenchidos e não há nível vazio abaixo para onde um elétron faça transição de energia na região visível.
Por isso não ocorre absorção de luz visível e a solução permanece incolor.

Passo 4

Mostrar por que \mathrm{Cu}^{2+} é azul:
Num campo de ligantes octaédrico (como em água) os cinco orbitais 3d do cobre(II) se dividem em dois níveis de energia, chamados t_{2g} (três orbitais mais baixos) e e_g (dois orbitais mais altos), separados por um gap de energia \Delta.
Como \mathrm{Cu}^{2+} é \mathrm{d}^9, existe um elétron que pode ser excitado de t_{2g} para e_g. Essa transição d–d requer energia correspondente a comprimentos de onda na região visível do espectro.

Passo 5

Explicar a cor observada em termos de absorção e cor complementar:
A energia absorvida na transição d–d em \mathrm{Cu}^{2+} costuma corresponder à faixa laranja-avermelhada do espectro visível. A luz que não é absorvida e é retransmitida (ou refletida) é a cor complementar, que fica no azul-verde. Por isso soluções aquosas de cobre(II) apresentam coloração azul.

Resposta

Soluções de \mathrm{Ca}^{2+} \mathrm{d}^0 e de \mathrm{Zn}^{2+} \mathrm{d}^{10} são incolores porque não têm elétrons em orbitais d que permitam transições d–d na região visível. Já \mathrm{Cu}^{2+} é \mathrm{d}^9, permitindo uma transição d–d entre níveis t_{2g} e e_g que absorve luz laranja e faz a solução parecer azul.

Exercícios relacionados