Tema 1: Introducción al estudio de los metales de transición. Curso de Química Inorgánica II

Tema 1: Introducción al estudio de los metales de transición.

Curso de Química Inorgánica II.



Algunas definiciones:“Aquellos elementos que poseen orbitales d parcialmente llenos en el

estado basal o en un estado excitado”.“Aquellos elementos con capas incompletas.

Ejemplo: elementos de transición (n-1)s2p6dxns2 (x = 1 a 10)


El asunto de las configuraciones electrónicas.

a) Efecto de penetración:

Parte radial de la función de onda.



a) Efecto de penetración:

Cuadrado de la parte radial de la función de onda.



Es necesario considerar el cuadrado de las funciones de onda orbitales.

Ejemplo: caso 2s, 2p:



Es necesario considerar el cuadrado de las funciones de onda orbitales.

Ejemplo: caso 3s, 3p, 3d:



b) Efecto de apantallamiento:

Es necesario considerar el efecto de las capas internas.

Cálculo de la carga nuclear efectiva por el método de Slater.

+++++++++

Z* = Z - A

Z* = Carga nuclear efectiva.Z = Carga nuclear real.

A = Constante de Slater.




1.- Se agrupa la configuración electrónica del átomo de la siguiente manera: (1s)2, (2s, 2p)8, (3s, 3p)8, (3d)10, (4s, 4p)8, etc. Aquí los orbitales s y p pertenecen al mismo grupo, los d y los f en grupos diferentes.

2.- Los electrones que están en grupos a la derecha del que estamos considerando, no contribuyen a la constante de apantallamiento.

3.- Los electrones en el grupo (ns, np) contribuyen con 0.35 cada uno a la constante de apantallamiento.

Caso 1.El electrón que estamos considerando está en un orbital s o p.




Caso 1.El electrón que estamos considerando está en un orbital s o p.

4.- Cada uno de los electrones en la capa n-1 contribuye con 0.85 a la constante de apantallamiento.

5.- Cada uno de los electrones en capas n-2 o más bajas, contribuye con 1.00 a la constante de apantallamiento.

Nota: Cuando se trata de un electrón 1s, este apantalla con 0.30 al otro electrón 1s.




Caso 1. Ejemplo:

Zn. Z = 30. [Zn] = 1s22s22p63s23p63d104s2

según regla 1: (1s)2, (2s, 2p)8, (3s, 3p)8, (3d)10, (4s)2

Z* para un e- 4s: A = 0.35x1 + 0.85 x 18 + 1 x 10 = 25.65

Z* = 30 - 25.65 = 4.35

Z* para un e-3s: A = 0.35 x 7 + 0.85 x 8 + 1 x 2 = 11.25

Z* = 30 – 11.25 = 18.75




Caso 2.El electrón que estamos considerando está en un orbital d o f.

1.- Igual que en el caso 1.2.- Igual que en el caso 1.

3.- Cada uno de los otros electrones en el grupo nd o nf bajo consideración contribuye con 0.35 a la constante de apantallamiento.

4.- Todos los electrones en grupos a la izquierda del grupo nd o nf que estamos considerando, contribuyen con 1.00 cada uno a la constantede apantallamiento.




Caso 2. Ejemplo:

Calculamos Z* para un electrón 3d en el Zn:

A = 0.35 x 9 + 1.00 x 18 = 21.15

Z* = 30 – 21.15 = 8.85




Ahora si podemos entender parcialmente las variaciones

energéticas de los orbitales con el llenado electrónico puesto que:

2

2

22

24e

2

n*eVZ6.13

hn

*Zem2E



Tema 1: Introducción al estudio de los

metales de transición.


1ra serie de transición.

Elemento y símbolo

Z Configuración

Escandio. Sc 21 [Ar]3d14s2

Titanio. Ti 22 [Ar]3d24s2

Vanadio. V 23 [Ar]3d34s2

Cromo. Cr 24 [Ar]3d54s1 real[Ar]3d44s2 esperada

Manganeso. Mn 25 [Ar]3d54s2

Hierro. Fe 26 [Ar]3d64s2

Cobalto. Co 27 [Ar]3d74s2

Níquel. Ni 28 [Ar]3d84s2

Cobre. Cu 29 [Ar]3d104s1 real[Ar]3d94s2 esperada

Zinc. Zn 30 [Ar]3d104s2




2da serie de transición.

Elemento y símbolo

Z Configuración

Ytrio. Y 39 [Kr]4d15s2

Zirconio. Zr 40 [Kr]4d25s2

Niobio. Nb 41 [Kr]4d45s1 real[Kr]4d35s2 esperado

Molibdeno. Mo 42 [Kr]4d55s1 real[Kr]4d45s2 esperado

Tecnecio. Tc 43 [Kr]4d55s2

Rutenio. Ru 44 [Kr]4d75s1 real[Kr]4d65s2 esperado

Rodio. Rh 45 [Kr]4d85s1 real[Kr]4d75s2 esperado

Paladio. Pd 46 [Kr]4d10 real[Kr]4d85s2 esperado

Plata. Ag 47 [Kr]4d105s1 real

Cadmio. Cd 48 [Kr]4d105s2




3ra serie de transición.

Elemento y símbolo

Z Configuración

Lantano. La 57 [Xe]5d16s2

Hafnio. Hf 72 [Xe]4f145d26s2

Tantalio. Ta 73 [Xe]4f145d36s2

Tungsteno. W 74 [Xe]4f145d46s2

Renio. Re 75 [Xe]4f145d56s2

Osmio. Os 76 [Xe]4f145d66s2

Iridio. Ir 77 [Xe]4f145d76s2

Platino. Pt 78 [Xe]4f145d96s1 real[Xe]4f145d86s2 esperado[Xe]4f145d10 esperado

Oro. Au 79 [Xe]4f145d106s1

Mercurio. Hg 80 [Xe]4f145d106s2




serie lantánida.

Elemento y símbolo

Z Configuración

Cerio. Ce 58 [Xe]4f15d16s2

Praseodimio. Pr 59 [Xe]4f36s2

Neodimio. Nd 60 [Xe]4f46s2

Prometio. Pm 61 [Xe]4f56s2

Samario. Sm 62 [Xe]4f66s2

Europio. Eu 63 [Xe]4f76s2

Gadolinio. Gd 64 [Xe]4f75d16s2

Terbio. Tb 65 [Xe]4f96s2

Disprosio. Dy 66 [Xe]4f106s2

Holmio. Ho 67 [Xe]4f116s2

Erbio. Er 68 [Xe]4f126s2

Tulio. Tm 69 [Xe]4f136s2

Yterbio. Yb 70 [Xe]4f146s2

Lutecio. Lu 71 [Xe]4f145d16s2




serie actínida.

Elemento y símbolo

Z Configuración

Torio. Th 90 [Rn]6d27s2

Protactinio. Pa 91 [Rn]5f26d17s2

Uranio. U 92 [Rn]5f36d17s2

Neptunio. Np 93 [Rn]5f46d17s2

Plutonio. Pu 94 [Rn]5f67s2

Americio. Am 95 [Rn]5f77s2

Curio. Cm 96 [Rn]5f76d17s2

Berkelio. Bk 97 [Rn]5f76d27s2

Californio. Cf 98 [Rn]5f96d17s2

Einstenio. Es 99 [Rn]5f117s2

Fermio. Fm 100 [Rn]5f127s2

Mendelevio. Md 101 [Rn]5f137s2

Nobelio. No 102 [Rn]5f147s2

Laurencio. Lr 103 [Rn]5f146d 17s2



CONCLUSIÓN.

Ahora debería estar aquí.

Aquí estaba su nivel de conocimiento sobre

estructura electrónica.



Proceso de formación de iones a partir de la configuración electrónica.

M(g) M+ (g) + e- PI

PI es una propiedad periódica.

X(g) + e- X-(g) AE

AE es una propiedad periódica.




Clasificación de los iones.

. Sin electrones internos. Caso único H+

. Iones de configuración de gas inerte. ns2np6

grupos 1, 2 y 3 Na+ Mg2+ Al3+

grupos 15, 16 y 17 N3- O2- F-

. Par inerte s2. Elementos con ns2npx (x = 1, 2 y 3)y pierden sus electrones p.

Ejemplo: Sb3+, Sn2+, etc.





. Iones que contienen 18 e- en su última capa.

Zn2+ = [Ne]3s23p63d10 = Cu+ = Ga3+ = Ge4+

. Iones f. Iones con la subcapa f parcialmente vacía.

Ejemplo: Gd = [Xe]4f75d16s2 Gd3+ = [Xe]4f7





. Iones d. Iones de configuración ns2np6ndx

( x = 1 a 9).

Ejemplo: Cr2+ Co2+ Fe3+, etc.





. iones poliatómicos. Química de coordinación

Ejemplos:

[Cu(NH3)4]2+

[PtCl3(C2H4)]-


Características de los metales de transición.

. En algunos casos las configuraciones electrónicas no son las esperadas.

. Todos son metales y presentan propiedadesmetálicas.

Brillo



Conductividad calórica

eléctrica

Formación de aleaciones (son disoluciones sólidas)



. Algunos son electropositivos y otros son nobles.

. Valencias, número de coordinación y geometrías de los compuestos variables.

. Compuestos coloreados.

. Diferencias en el comportamiento magnético.


Configuraciones electrónicas y términos atómicos.

Ejemplo: el sistema planetario.

descripción del estado energético del sistema

Acoplamiento j-j

Acoplamiento L-S



Acoplamiento j-j. Acoplamiento L-S.

Esquema apropiado para los átomos livianos.

Esquema apropiado para los átomos pesados.

Aquí nos limitaremos al estudio de los sistemas suponiendo un acoplamiento L-S (acoplamiento Russell-Saunders).



Cambios importantes para la descripción del esquema Russell-Saunders.

Primeras características

del modelo.



Formalismos en el esquema Russell-Saunders:

.- Un grupo de términos defínen un estado atómico.

.- Un término defíne un conjunto de microestados del átomo.

.- Las capas llenas y semi llenas tienen contribución cero al valor de ML.

.- ¿Cómo se escriben los términos Russell-Saunders?.

R = multiplicidad del término = (2S + 1)

J = vector de momento angular total = L + S



Ejemplos:

ML MS microestado(ML, MS)

término R-S sin acoplamiento L-S

se lee

término R-S con acoplamiento L-S

4 1/2 (4, 1/2) 2G doblete G 2G9/2

2 3/2 (2, 3/2) 4D cuartete D 4D7/2

0 1 (0, 1) 3S triplete S 3S1

0 0 (0, 0) 1S singlete S 1S0

.- Para cada par (ML, MS), el número de microestados posibles es:

(2L + 1) (2S + 1)



Estrategia para la determinación de los términos R-S según una configuración electrónica particular.

.- Emplear el antiguo formalismo de cajitas para representar orbitales, emplear flechas para la ocupación electrónica talque s = +1/2 y s = -1/2.

.- Determinar el número de microestados totales según:

C = # de microestados tot. m = 2l + 1 x = número de electrones



.- Dibujar un número de cajitas igual a C, colocar el o los electrones en forma sistemática considerando todas las posibilidades de los arreglos pero sin repetir configuraciones físicamente iguales. Evitar las configuraciones prohibidas.

prohibida

físicamenteiguales

Nota: solo puede violarse el criterio de máxima multiplicidad de Hund.

.- Se escriben todos los pares (ML, MS).



.- Se escriben los términos R-S sin considerar el acolplamiento L-S. Empezar por el mayor valor de ML considerando todas las posibilidades de MS. Calcule el número de microestados a obtener para el par (ML, MS) en cuestión (la designación de la multiplicidad de los términos debe ser la máxima).

.- Considere el acoplamiento L-S y reescriba los términos R-S señalando el valor del vector J. Habrán 2J + 1 orientaciones posibles para el vector.

.- Represente en una escala de energía cualitativa el rompimiento de la degenerancia de los microestados cuando se toma en cuenta la repulsión electrónica, un acoplamiento L-S débil y en presencia de un campo magnético externo. Para ello considere las reglas de Hund.



Reglas de Hund.

1.- El estado fundamental será siempre el que posea la máxima multiplicidad del spin.

2.- Si existen varios estados que posean la máxima multiplicidad del spin, el más estable será aquel que involucre el máximo valor de L.

3.- La energía de los subestados aumenta a medida que aumenta el valor de J, siempre que el estado derive de una configuración que corresponde a una capa con un número de electrones menor al necesario para una capa semi llena. Si la capa involucra un número de electrones mayor que los correspondientes a la capa semi llena el orden de los subestados es el inverso.



Caso carbono. Z = 6. Conf. electrónica

[C] = 1s22s22p2. (caso p2)



Caso carbono. Z = 6. Conf. electrónica [C] = 1s22s22p2. (caso p2)

mayor valor ML = 2 posibles MS = 0 (2L + 1)(2S + 1) = 5 x 1 = 5microestados: (2 ,0 ) (1 ,0) (0,0) (-1 ,0) (-2 ,0 ) término: 1D

valor ML = 1 posibles MS = 1, 0, -1 (2L + 1)(2S + 1) = 3 x 3 = 9microestados: (1,1) (0,1) (-1,1) (1,0) (0,0) (-1,0)

(1 ,-1) (0 ,-1) (-1,-1) término: 3P

valor ML = 0 posibles MS = 0 (2L + 1)(2S + 1) = 1 x 1 = 1microestado: (0,0) término: 1S

Resumen de términos: ____5___ términos:__1D_ ____9___ términos:__3P_ _15_ microestados ____1___ término: __1S_



Caso carbono. Z = 6. Conf. electrónica [C] = 1s22s22p2. (caso p2)

Desdoblamiento de términos R-S:



Caso nitrógeno. Z = 7. Conf. electrónica

[N] = 1s22s22p3. (caso p3)



mayor valor L = 2 posibles S = +1/2, -1/2 (2L + 1)(2S + 1) = 5 x 2 = 10microestados: ( 2 , 1/2 ) ( 1 , 1/2 ) ( 0 , 1/2 ) ( -1 , 1/2) ( -2 , 1/2)

( 2 , -1/2 ) ( 1 , -1/2 ) ( 0 , -1/2 ) ( -1 , -1/2) ( -2 , -1/2) término: 2D

Caso nitrógeno. Z = 7. Conf. electrónica [N] = 1s22s22p3. (caso p3)

valor L = 1 posibles S = +1/2, -1/2 (2L + 1)(2S + 1) = 3 x 2 = 6microestados: ( 1, 1/2) (0 , 1/2) ( -1, 1/2) ( 1, -1/2) ( 0, -1/2) ( -1, -1/2) término: 2P

valor L = 0 posibles S = 3/2, 1/2, -1/2, -3/2 (2L + 1)(2S + 1) = 1 x 4 = 4microestado: ( 0, 3/2 ) ( 0, 1/2) (0, -1/2) (0, -3/2) término: 4S

Resumen: 10 términos 2D, 6 términos 2P y 4 términos 4S.



Caso nitrógeno. Z = 7. Conf. electrónica [N] = 1s22s22p3. (caso p3)

Desdoblamiento de términos R-S:


Configuraciones electrónicas y

términos atómicos.

Sistema pp

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