a) Pesquisar na literatura sobre a chamada configuração de 18 elétrons externos (ou regra dos 18 elétrons); b) Use a regra dos 18 elétrons para prever a configuração eletrônica e a carga de um íon de zinco.
Passo 1
O enunciado pede duas coisas claras: (a) pesquisar/explicar o que é a chamada regra dos
elétrons (ou configuração de
elétrons) segundo a literatura; (b) usar essa regra para prever a configuração eletrônica e a carga de um íon de zinco.
Informações dadas/necessárias (que vamos usar): ligantes doam pares de elétrons aos metais de transição; a regra dos elétrons é uma regra empírica usada para complexos de metais de transição/organometálicos; o zinco é um elemento do grupo
com configuração eletrônica atômica conhecida. A partir daqui eu vou explicar a teoria, ensinar como contar elétrons passo a passo e aplicar ao zinco sem assumir que você saiba nada.
Informações dadas/necessárias (que vamos usar): ligantes doam pares de elétrons aos metais de transição; a regra dos
Passo 2
O que é a regra dos
elétrons — resumo da literatura (em linguagem simples e amigável).
- A regra dos
elétrons é uma regra empírica muito usada em química inorgânica/organometálica que diz que muitos complexos de metais de transição são particularmente estáveis quando o número total de elétrons de valência ao redor do metal é . - Por que
? Porque a camada de valência composta por orbitais , e comporta no total elétrons. Preencher essas “subcamadas” (no modelo simplificado) leva a uma configuração com energia relativamente baixa e estabilidade extra. - Fontes que discutem e justificam essa regra: livros-texto clássicos de química inorgânica e organometálica (por exemplo, textos como Cotton & Wilkinson, Greenwood & Earnshaw, Elschenbroich) e revisões sobre contagem eletrônica em organometálicos. A regra é explicada tanto por argumentos de teoria do orbital molecular (como fechamento de níveis) quanto por evidências experimentais (comportamento e freqüência de complexos observados).
- Importante: é uma regra empírica — funciona bem para muitos complexos de metais de transição, sobretudo para metais de primeira série com ligantes fortes (CO, PR3, etc.), mas tem muitas exceções (complexos com ligação metal-metal, metais tardios em baixos estados de oxidação, metais com configuração d10, complexos muito iônicos, ou casos estéreis/geométricos). Em resumo: é um guia muito útil, não uma lei universal.
Passo 3
Fundamento físico (intuitivo) por trás da regra — aula rápida e didática.
- Pense no metal no centro como tendo orbitais de valência
, e . Esses orbitais podem receber elétrons vindos dos ligantes (doação por pares) e também podem conter elétrons do próprio metal (os elétrons e do metal). - O total “ideal” para fechar esses orbitais é
elétrons no orbital , no conjunto e no conjunto . Somando: . - Quando esse conjunto de níveis está preenchido ou quase fechado, a interação metal–ligante tende a ser forte e o complexo tende a ser estável (menos sítios reativos disponíveis, orbitais ocupados). Isso explica o sucesso empírico da regra.
- Aviso prático: essa é uma explicação simplificada; a teoria completa usa orbital molecular e correlações eletrônicas — mas para a prova essa ideia de “fechar s,p,d = 18 elétrons” é exatamente o que a regra propõe.
Passo 4
Como contar elétrons em um complexo: método prático (passo a passo) — vamos aprender a contar como se fosse receita de bolo.
Existem duas formas comuns: “método do ligante neutro” (neutral-ligand method) e “método iônico” (ionic method). Vou usar o método neutro porque é o mais direto para exercícios de prova e para o caso do zinco. Passos do método neutro:
Existem duas formas comuns: “método do ligante neutro” (neutral-ligand method) e “método iônico” (ionic method). Vou usar o método neutro porque é o mais direto para exercícios de prova e para o caso do zinco. Passos do método neutro:
- Determine os elétrons de valência do metal no estado de oxidação do complexo (ou do íon que você quer prever). Para metais de transição, conta-se os elétrons
e do metal no estado de oxidação considerado. Por exemplo, um metal em estado de oxidação perde os elétrons primeiro. - Some os elétrons doados pelos ligantes: cada ligante doador tipo L (ligante neutro que doa um par) fornece
elétrons; ligantes do tipo X (ânions monodentados como Cl , Br ) normalmente contam como elétrons no método neutro mas também mudam a carga do complexo — o importante é lembrar quantos pares eles doam. Ligantes multidentados doam pares por dentada. - Some quaisquer elétrons de ligações metal–metal (se houver).
- O total obtido é o Total de Elétrons de Valência (TEV) do metal; compare com
.
Exemplo curto e ilustrativo (não do zinco ainda): para(Fe em estado 0): Fe atômico tem elétrons de valência? Não exatamente — mas pelo método: Fe(0) tem → contagem = (6 d + 2 s) e cada CO doa 2 elétrons × 5 = 10 ⇒ TEV = .
Passo 5
Relembrando a configuração eletrônica do zinco (átomo neutro) e suas características químicas relevantes.
- Zinco atômico neutro tem configuração eletrônica
. Escrevo em TeX: . - Isso indica que o zinco tem um conjunto
cheio ( ) e dois elétrons . Na prática química, ao formar cátions, os elétrons são removidos antes dos , então o estado de oxidação de zinco é . - O zinco é um metal “tardio” e com
é quimicamente similar a metais que não têm sítios parcialmente vazios para fortes interações -aceitadoras; por isso os complexos de zinco são frequentemente iônicos / baseados em doação simples de pares (ligantes doadores simples).
Passo 6
Aplicando a contagem eletrônica ao zinco: qual é a contribuição do metal?
- Se considerarmos o íon mais comum de zinco,
, sua configuração eletrônica é . Então a contribuição do metal para o TEV (total de elétrons de valência) é elétrons (os ). Em notação TeX: → contribuição metal = elétrons. - Se hipoteticamente considerássemos
(metal zero), a contribuição seria elétrons ( ). Mas em complexos moleculares é raro comparado a .
Passo 7
Quanto o ligante precisa doar para alcançar
elétrons com
? (conta direta)
- Meta desejado: TEV total =
. - Contribuição do metal (se for
) = . Logo elétrons necessários dos ligantes = . Em TeX: . - Cada ligante neutro monodentado do tipo L (por exemplo
, , PR , etc.) doa elétrons. Então seriam necessários ligantes L monodentados para alcançar elétrons. Em TeX: . - Conclusão prática: um complexo
com quatro ligantes doadores de par (cada um doando 2 elétrons) terá TEV = . Em TeX: .
Passo 8
Exemplo concreto: contar elétrons em
(modelo didático) — passo a passo.
- Determinar a carga/estado do zinco no complexo: aqui é
(o complexo como escrito é ). - Contribuição do metal:
elétrons (porque ). Escrevo: contribuição metal = . - Cada
doa um par de elétrons = . Com quatro : contribuição dos ligantes = . Em TeX: . - TEV total =
. Em TeX: .
Resultado: o complexo atinge a regra doselétrons. Isso mostra que com quatro ligantes doadores de par é coerente com a regra.
Passo 9
Interpretação: o que isso nos diz sobre a carga e configuração mais provável do íon de zinco?
- A regra dos
elétrons não “obriga” o zinco a ter uma carga, mas indica que o estado é compatível com alcançar elétrons com um arranjo simples de ligantes (quatro ligantes monodentados doando pares). - Assim, usando a regra como guia, o íon de zinco que aparece com mais frequência e que faz sentido previsivelmente é
com configuração eletrônica . Em TeX: carga prevista = ; configuração = . - Observação prática: muitos complexos de zinco de coordenação são tetra-coordenados (4 ligantes) ou hexa-coordenados (6 ligantes). Hexa-coordenação dá
elétrons — ou seja, excede — mas ainda assim esses complexos existem porque a regra dos elétrons não é absoluta; fatores estéricos, iônicos, e energéticos também importam. Mesmo assim, o fato de dar elétrons ajuda a compreender por que muitas estruturas tetraédricas de são estáveis.
Passo 10
Resumo das limitações e explicações finais (para a prova — coisas pra você lembrar e poder citar)
- A regra dos
elétrons é um guia empírico útil. Diga isso na prova e explique brevemente o porquê (fechamento de níveis ). - Cite as exceções: metais com configuração
(como Zn , Cd ) frequentemente formam complexos estáveis que nem sempre “obedecem” rigidamente à regra; complexos muito iônicos ou com ligantes grandes/estéricos podem violar a regra; ligações metal-metal alteram a contagem. - Para o zinco, o resultado é simples e seguro: o íon mais comum e químico-predizível segundo o raciocínio da regra é
com configuração . Complexos com quatro ligantes doadores de par alcançam elétrons; isso explica por que é um arranjo frequente e estável.
Resposta
(a) A regra dos
elétrons é um guia empírico em química inorgânica/organometálica que afirma que muitos complexos de metais de transição são estáveis quando o total de elétrons de valência ao redor do metal é
(fechamento aproximado de
,
). A regra tem justificativa em teoria de orbital molecular e é discutida em livros-texto e revisões (ex.: Cotton & Wilkinson, Elschenbroich); funciona bem para muitos complexos, mas tem exceções (ligações metal–metal, metais d10, casos muito iônicos, etc.).
(b) Pela contagem eletrônica: tem configuração
(contribuição metal =
elétrons); com quatro ligantes monodentados doadores de par (
elétrons) obtém-se
. Portanto a previsão é carga
e configuração eletrônica
.
(b) Pela contagem eletrônica: