Questăo extra:
Obs.: Năo é obrigatória e somente será considerada se estiver totalmente correta.
Explique por que soluçōes aquosas contendo
são incolores enquanto soluçōes aquosas contendo
săo coloridas. Classifique os aquocomplexos de
e os de
em paramagnéticos ou diamagnéticos sabendo que a água é um ligante intermediário.
Obs.: Năo é obrigatória e somente será considerada se estiver totalmente correta.
Explique por que soluçōes aquosas contendo
Passo 1
Vou reescrever claramente o que o enunciado pede e quais informações já nos deram:
- Pedido 1: Explicar por que soluções aquosas contendo
são incolores enquanto soluções aquosas contendo são coloridas. - Pedido 2: Classificar os aquocomplexos de
e de como paramagnéticos ou diamagnéticos, sabendo que a água ( ) é um ligante de força intermediária. - Informações dadas: os íons são
e ; o ligante é (intermediário).
Nada mais foi fornecido, então vou usar conceitos padrão de estrutura eletrônica, teoria do campo cristalino (octaédrica), transições eletrônicas (d–d e transferência de carga) e contagem de elétrons desemparelhados para a classificação magnética.
Passo 2
Primeiro precisamos saber quantos elétrons d cada íon tem (configuração eletrônica):
- Átomo neutro de zinco: configuração
. Ao formar perde os dois , ficando com . Ou seja, é . - Átomo neutro de cobalto: configuração
. Ao formar perde três elétrons (os e mais um do ), ficando com . Ou seja, é .
Esses números (e ) são cruciais para tudo que vem a seguir.
Passo 3
Conceito-chave: teoria do campo cristalino (TCC) em geometria octaédrica (que é o arranjo mais comum para aquocomplexos
).
Explicando TCC de forma simples e prática:
- Num campo octaédrico, os cinco orbitais d do metal se dividem em dois grupos com energias diferentes:
(três órbitais) e (dois órbitais). A diferença de energia entre eles chama-se (gap entre e ). - A ocupação dos elétrons d nesses níveis depende de dois fatores que competem: a energia de emparelhamento
(custo para emparelhar dois elétrons no mesmo orbital) e o valor de (quanto separa e ). - Se
é grande (ligante forte ou metal com alta carga), o complexo tende a ser low-spin (emparedam antes de subir para ). Se é pequeno (ligante fraco), tende a ser high-spin (prefere colocar elétrons desemparelhados em ). - A água (
) é um ligante de força intermediária na série espectroquímica (nem muito forte, nem muito fraca). Porém, a carga do íon metálico também afeta : íons com carga maior aumentam . Isso será importante para .
Passo 4
Por que cor aparece ou não? Principais mecanismos que geram cor em complexos de metais de transição:
- Transições d–d: promoção de elétrons entre níveis
e . A energia necessária é aproximadamente . Se corresponde à energia da luz visível, o complexo absorve parte do visível e aparece colorido. Essas bandas costumam ser relativamente fracas, mas suficientes para gerar cor. - Transferência de carga (ligando→metal LMCT ou metal→ligando MLCT): são transições entre orbitais do ligante e do metal; geralmente são mais intensas que d–d e podem gerar cores fortes, especialmente quando o metal está em alto estado de oxidação (facilita LMCT).
- Se não existem níveis d disponíveis para transições de baixa energia (por exemplo, todos os d estão preenchidos ou todos vazios), então o complexo não tem absorções no visível e é incolor (ou absorve apenas no UV).
Vou aplicar isso aos dois íons.
Passo 5
Aplicando ao
(
):
- Todos os cinco orbitais d estão completamente preenchidos:
(soma = 10 elétrons). Não há órbita d vazia de baixa energia para onde promover um elétron dentro do conjunto d com energia na faixa visível — qualquer promoção envolvendo elétrons d exigiria excitar para níveis muito mais altos (órbitais 4s, 4p, etc.), cujas energias estão tipicamente na região UV. - Conclusão explicativa: não há transições d–d no intervalo de energia da luz visível, portanto o complexo não absorve luz visível e aparece incolor.
- Magnetismo: com
todos os elétrons d estão pareados; não há elétrons desemparelhados → o complexo é diamagnético. (Número de elétrons desemparelhados = .)
Passo 6
Aplicando ao
(
) com
(ligante intermediário):
- Possibilidades eletrônicas em octaédrico para
: - High-spin (HS):
→ 4 elétrons desemparelhados (paramagnético, momento magnético relativamente grande). - Low-spin (LS):
→ todos os elétrons pareados (diamagético).
- High-spin (HS):
- Qual dos dois ocorre depende do valor efetivo de
versus energia de emparelhamento . Aqui entra um detalhe importante: o estado de oxidação de é alto, o que aumenta a atração sobre os ligantes e, em geral, aumenta . Mesmo que seja apenas intermediária, a alta carga tende a produzir um suficientemente grande para favorecer o arranjo low-spin. Portanto, complexos octaédricos de com água costumam ser low-spin e, assim, diamagnéticos. - Cor: seja low-spin ou high-spin,
ainda tem orbitais d parcialmente ocupados (no caso LS existe a possibilidade de promoção porque está cheio e vazio; essa promoção tem energia que frequentemente cai na região visível) — logo há transições d–d de energia visível possíveis. Além disso, devido ao estado de oxidação alto ( ), transições de transferência de carga ligante→metal (LMCT) podem ocorrer com energias na região visível e costumam produzir bandas de absorção intensas. Por isso complexos de geralmente são coloridos. - Magnetismo: como argumentado, com
(intermediário) e carga , o arranjo preferido é low-spin → todos pareados → diamagnético (número de elétrons desemparelhados = ). Como observação: se por algum motivo fosse pequeno (ligante muito fraco), seria high-spin e paramagnético com 4 elétrons desemparelhados — mas isso não é a situação habitual para com água.
Passo 7
Exemplificando numericamente o raciocínio magnético (fórmula do momento magnético spin-only, se útil):
- Se houver
elétrons desemparelhados, o momento magnético spin-only aproximado é (em = Bohr magneton). - Para
: (diamagético). - Para
no caso low-spin: (diamagético). (Se fosse high-spin, .)
Passo 8
Resumo didático e direto do porquê das cores e da classificação magnética:
-
é : não há transições d–d na região visível e qualquer transição observável fica no UV; portanto soluções aquosas com são incolores. Além disso, todos os elétrons d estão pareados → complexos diamagnéticos. -
é : em aquocomplexos octaédricos a alta carga tende a aumentar e, com (ligante intermediário), o mais comum é formação de complexos low-spin ( ), que são diamagnéticos. Mesmo assim existem orbitais d parcialmente relevantes para transições eletrônicas (d–d) e, além disso, a possibilidade de transferências de carga (LMCT) — tudo isso gera absorções na região visível, ou seja, cor. Portanto frequentemente forma complexo colorido; magneticamente, com água, tende a ser diamagnético (low-spin).
Resposta
Soluções com
: incolores; aquocomplexos diamagnéticos (
, todos os elétrons pareados).
Soluções com : coloridas; aquocomplexos geralmente diamagnéticos (low-spin,
, configuração
); a cor vem de transições
e/ou de transferência de carga (LMCT).
Soluções com