(1,0) Na série espectroquímica, a água é considerada um ligante de campo fraco. Baseando-se em um diagrama de energia do campo cristalino, o número de elétrons desemparelhados nos complexos \left[\mathrm{Fe}\left(\mathrm{OH}_{2}\right)_{6}\right]^{3+} \mathrm{e}\left[\mathrm{Fe}\left(\mathrm{OH}_{2}\right)_{6}\right]^{2+}, é respectivamente:
Dados: \mathrm{H}(\mathrm{Z}=1), \mathrm{O}(\mathrm{Z}=8), \mathrm{Fe}(\mathrm{Z}=26)
a) 4 e 5
b) 1 e 0
c) 0 e 4
d) 5 e 4

Passo 1

O enunciado pergunta: qual é o número de elétrons desemparelhados nos complexos \left[\mathrm{Fe}\left(\mathrm{OH}_{2}\right)_{6}\right]^{3+} e \left[\mathrm{Fe}\left(\mathrm{OH}_{2}\right)_{6}\right]^{2+}, respectivamente? Dados fornecidos: \mathrm{H}(\mathrm{Z}=1), \mathrm{O}(\mathrm{Z}=8), \mathrm{Fe}(\mathrm{Z}=26). Foi dito também que a água ( \mathrm{H_2O}) é ligante de campo fraco.

Passo 2

Vamos identificar os estados de oxidação do ferro em cada complexo e quantos elétrons d cada íon ferro possui.
  • Em \left[\mathrm{Fe}\left(\mathrm{OH}_{2}\right)_{6}\right]^{3+} a água é neutra, logo a carga do íon ferro é +3. Assim o ferro é \mathrm{Fe}^{3+}.
  • Em \left[\mathrm{Fe}\left(\mathrm{OH}_{2}\right)_{6}\right]^{2+} a água também é neutra, logo o ferro é \mathrm{Fe}^{2+}.
Agora o número de elétrons d do ferro: o ferro neutro tem configuração eletrônica [ \mathrm{Ar} ]\,4s^{2}3d^{6}. Removem-se primeiro os elétrons 4s ao formar catiões.
  • Para \mathrm{Fe}^{2+}: tira-se os dois elétrons 4s → sobra 3d^{6}. Então \mathrm{Fe}^{2+} é d^{6}.
  • Para \mathrm{Fe}^{3+}: tira-se mais um elétron (do 3d) → 3d^{5}. Então \mathrm{Fe}^{3+} é d^{5}.

Passo 3

Explico o conceito-chave que vamos usar: em complexos octaédricos (como \left[\mathrm{Fe}(\mathrm{H_2O})_6\right]^{n+}) os cinco orbitais d se dividem em dois conjuntos por efeito do campo cristalino:
t_{2g}\\ (\text{3 orbitais, energia menor})\quad\text{e}\quad e_{g}\\ (\text{2 orbitais, energia maior}).
A separação entre esses níveis chama-se \Delta_{o} (ou \Delta_{oct}). Preenchemos elétrons nesses orbitais obedecendo a duas coisas: a) princípio de Aufbau (preencher níveis mais baixos primeiro), e b) regra de Hund (maximizar o número de elétrons desemparelhados enquanto isso for energeticamente favorável).

Passo 4

A força do ligante (aqui \mathrm{H_2O}) define se \Delta_{o} é grande ou pequeno. Como o enunciado diz que \mathrm{H_2O} é ligante de campo fraco, temos \Delta_{o} pequeno em comparação com a energia de emparelhamento. Isso leva a complexos de alto spin (high-spin), ou seja, os elétrons preferem ocupar orbitais diferentes (desemparelhados) antes de emparelhar.

Passo 5

Vamos montar as configurações eletrônicas de \mathrm{Fe}^{3+} ( d^{5}) e \mathrm{Fe}^{2+} ( d^{6}) em um campo octaédrico de alto spin.
  • Para \mathrm{Fe}^{3+} ( d^{5}), em alto spin o preenchimento é um elétron em cada orbital disponível até completar 5 eletróns:
    t_{2g}^{3}e_{g}^{2}
    Todos esses elétrons ficam desemparelhados (cada orbital com um elétron). Portanto o número de elétrons desemparelhados é 5.
  • Para \mathrm{Fe}^{2+} ( d^{6}), em alto spin preenche-se primeiro um elétron em cada um dos três t_{2g} e depois um em cada um dos dois e_{g} (total 5 desemparelhados), mas resta o sexto elétron que causa emparelhamento em um dos t_{2g}. A configuração fica:
    t_{2g}^{4}e_{g}^{2}
    Aqui há um par em um dos orbitais t_{2g} e os demais são desemparelhados. Contando os que permanecem sem par: 4 elétrons desemparelhados.

Passo 6

Resumo físico-intuitivo para fixar: água é fraca, então “empilhar” elétrons em orbitais diferentes (sem emparelhar) é mais vantajoso que pagar a energia de emparelhamento — por isso high-spin. Assim d^{5} high-spin dá todos os 5 elétrons desemparelhados; d^{6} high-spin força um emparelhamento e resulta em 4 elétrons desemparelhados.

Passo 7

Confrontando com as alternativas: a alternativa que mostra 5 e 4 (nessa ordem) é a correta.

Resposta

5
4

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