Por que soluções de íons de metais de transição como \mathrm{Cu}^{2+} (azul) e \mathrm{Cr}^{3+} (verde) são coloridas, enquanto soluções de íons como \mathrm{Na}+ ou \mathrm{Ca}^{2+} são incolores?

Passo 1

O enunciado pergunta por que soluções aquosas de íons de metais de transição como \mathrm{Cu}^{2+} (azul) e \mathrm{Cr}^{3+} (verde) apresentam cor, enquanto soluções de íons como \mathrm{Na}^+ ou \mathrm{Ca}^{2+} são incolores. O conteúdo envolvido é estrutura eletrônica de metais, teoria de campo cristalino (splitting de orbitais d) e transições eletrônicas que absorvem luz na região visível.

Passo 2

Metais de transição têm elétrons nos orbitais d. Por exemplo, na configuração de \mathrm{Cu}^{2+} temos [\,\mathrm{Ar}\,]\,3d^9 e em \mathrm{Cr}^{3+} temos [\,\mathrm{Ar}\,]\,3d^3. Esses elétrons em orbitais d podem sofrer excitação para níveis de energia ligeiramente mais altos pelo bombardeio de fótons.
Em solução aquosa, o íon metálico fica cercado por moléculas de água que formam um campo elétrico não uniforme. Isso provoca o “splitting” dos cinco orbitais d em dois conjuntos de diferentes energias: níveis e_g e t_{2g}. A diferença de energia \Delta E entre esses conjuntos cai muitas vezes na região do espectro visível.

Passo 3

Quando a luz branca incide sobre a solução, fótons com energia h\nu = \Delta E são absorvidos para promover elétrons de t_{2g} para e_g. A cor observada é o complemento (oposto no círculo cromático) do comprimento de onda absorvido. É essa absorção seletiva na faixa visível que faz \mathrm{Cu}^{2+} aparecer azul e \mathrm{Cr}^{3+} verde.

Passo 4

Íons como \mathrm{Na}^+ e \mathrm{Ca}^{2+} não têm elétrons em orbitais d parcialmente preenchidos (suas configurações são [\,\mathrm{Ne}\,]\,3s^0 e [\,\mathrm{Ar}\,]\,4s^0, respectivamente). As únicas transições eletrônicas possíveis ocorrem em energias muito maiores (UV), fora da região visível, de modo que não há absorção de luz visível e a solução permanece incolor.

Resposta

Soluções de metais de transição são coloridas porque possuem elétrons em orbitais d que, sob o campo das moléculas de água, separam-se em níveis de energia cuja diferença \Delta E corresponde a fótons visíveis, permitindo transições d\to d. Íons como \mathrm{Na}^+ ou \mathrm{Ca}^{2+} não têm elétrons d e só absorvem no UV, ficando incolores.

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