Qual é o papel do efeito de campo cristalino na magnetismo dos compostos de coordenação octaédricos?
Passo 1
O enunciado pergunta: “Qual é o papel do efeito de campo cristalino na magnetismo dos compostos de coordenação octaédricos?”
Informações relevantes fornecidas ou implícitas que vamos usar:
Informações relevantes fornecidas ou implícitas que vamos usar:
- Estamos falando de complexos de coordenação com geometria octaédrica (seis ligantes ao redor do metal).
- O que muda quando um metal fica cercado por ligantes é a energia dos orbitais
do metal (efeito de campo cristalino). - Magnetismo macroscópico dos complexos depende do número de elétrons desemparelhados nos orbitais
. - Conceitos que iremos usar: energia de separação entre níveis
na geometria octaédrica (que chamamos de ), energia de emparelhamento , e momento magnético (fórmula spin-only).
Passo 2
Entendendo a divisão dos orbitais
numa esfera de ligantes octaédrica (a peça central do efeito de campo cristalino).
- Num átomo isolado, os cinco orbitais
têm a mesma energia (degenerados). - Em um arranjo octaédrico de seis ligantes, a interação eletrostática entre os elétrons dos ligantes e os elétrons
do metal quebra essa degenerescência: os orbitais se dividem em dois conjuntos: os de menor energia chamados (três orbitais) e os de maior energia chamados (dois orbitais). - A diferença de energia entre esses conjuntos é a chamada “exaltação de campo cristalino” ou simplesmente
. - Em termos energéticos, pode-se dizer que os níveis
ficam estabilizados em e os desestabilizados em relativamente à média (essa é uma forma conveniente de ver como a energia total se conserva).
Passo 3
O que compete com
: a energia de emparelhamento
.
- Cada vez que eu coloco dois elétrons no mesmo orbital
eles gastam uma energia adicional (energia de repulsão e custo de emparelhamento). - Há, portanto, uma “decisão” ao colocar os elétrons: preencher primeiro orbitales
emparelhando-os (se for grande) ou colocar elétrons em sem emparelhar (se for pequeno). - Regra prática:
- Se
então é energeticamente favorável evitar emparelhar e ocupar os dois níveis: resultado = estado de alto spin (high-spin). - Se
então é favorável emparelhar nos : resultado = estado de baixo spin (low-spin).
- Se
- Essa competição é o que conecta diretamente o efeito de campo cristalino à magnetismo: ela define quantos elétrons ficam desemparelhados.
Passo 4
Como o número de elétrons desemparelhados controla o magnetismo (conceito e fórmula).
- Magnetismo em complexos de metais de transição é, em primeira aproximação, devido ao spin dos elétrons desemparelhados. Se todos os elétrons estiverem pareados, o complexo é diamagnético; se houver elétrons desemparelhados, é paramagnético.
- A estimativa “spin-only” do momento magnético (em unidades de magneton de Bohr
) é dada por:
onde
é o número de elétrons desemparelhados.
- Exemplos rápidos:
- Se
então (diamagético). - Se
então . - Se
então .
- Se
- Conclusão: ao alterar
(através de mudar ou ), o efeito de campo cristalino altera diretamente o momento magnético.
Passo 5
Aplicando a ideia a exemplos concretos para fixar (mostra como resolver na prova).
- Pegue um metal com
(por exemplo, tem configuração ). - Caso
pequeno (campo fraco): high-spin — ocupação típica . Isso dá elétrons desemparelhados → . - Caso
grande (campo forte): low-spin — ocupação . Isso dá elétrons desemparelhados → diamagnético ( ).
- Caso
- Exemplos reais que costumam cair em provas ou aparecer em livros:
-
(água = ligante relativamente fraco) é normalmente high-spin com elétrons desemparelhados. -
(cianeto = ligante forte) é normalmente low-spin, diamagnético.
-
- Procedimento prático na prova: contar elétrons
, imaginar/escrever a distribuição em e de acordo com “preencher sem emparelhar primeiro” vs "emparelhar nos " e contar .
Passo 6
Como saber se o ligante é forte ou fraco: a série espectroquímica (regra prática).
- Ligantes são ordenados numa série que indica quão grande é
que eles produzem. Exemplos simplificados (do fraco para o forte): - Assim, trocar ligantes de fraco para forte pode transformar um complexo paramagnético em diamagnético (mudando de high-spin para low-spin). Isso é algo que cai direto em provas: “explique por que ao substituir
por um complexo perde o momento magnético”.
Passo 7
Efeitos adicionais importantes que influenciam o magnetismo (para não ser pego desprevenido na prova).
- Spin-orbit coupling e contribuição orbital: a fórmula spin-only ignora contribuição orbital. Em metais pesados e para alguns íons a medida experimental pode diferir do valor spin-only. Em provas introdutórias costuma-se usar o valor spin-only, mas esteja ciente da limitação.
- Efeito Jahn–Teller: certos arranjos eletrônicos degenerados (por ex.
ou high-spin ) levam a distorções geométricas que podem alterar níveis e, por consequência, propriedades magnéticas anisotrópicas. - Spin crossover: em alguns complexos (por exemplo, certos
com ligantes moderados) a balança vs é tão delicada que variação de temperatura, pressão ou luz pode provocar mudança reversível entre high-spin e low-spin — logo o magnetismo varia com a condição experimental. Isso é tema valorizado em física/chemistry de materiais.
Passo 8
Como responder numa questão de prova passo a passo (modelo de resposta curta que você pode recitar):
- Identifique o íon metálico e conte os elétrons
. - Identifique o ligante (ou use série espectroquímica) para estimar se
é grande ou pequeno. - Compare qualitativamente
com : se → high-spin; se → low-spin. - Escreva a distribuição em
e , conte elétrons desemparelhados. - Calcule o momento magnético spin-only por
e classifique: diamagnético se , paramagnético se .
Isso resolve a grande maioria das questões sobre magnetismo de complexos octaédricos em provas.
Passo 9
Um exemplo numérico final (para treinar e gravar):
com
e água (ligante fraco) →
→ high-spin → configuração
→
→
Já
com
e cianeto (ligante forte) →
→ low-spin → configuração
→
→
(diamagético).
Resposta
O efeito de campo cristalino em complexos octaédricos separa os cinco orbitais
em dois níveis (
e
) com diferença de energia
; essa separação compete com a energia de emparelhamento
e decide se os elétrons se distribuem em estado de alto spin (
) ou baixo spin (
). Como o magnetismo depende do número de elétrons desemparelhados, o efeito de campo cristalino controla diretamente se o complexo será paramagnético (vários elétrons desemparelhados) ou diamagnético (todos pareados) e determina o valor aproximado do momento magnético via
.