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

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

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

3 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)

4 Tema 1: Introducción al estudio de los metales de transición. El asunto de las configuraciones electrónicas. a) Efecto de penetración: Parte radial de la función de onda.

5 Tema 1: Introducción al estudio de los metales de transición. El asunto de las configuraciones electrónicas. a) Efecto de penetración: Cuadrado de la parte radial de la función de onda.

6 Tema 1: Introducción al estudio de los metales de transición. El asunto de las configuraciones electrónicas. Es necesario considerar el cuadrado de las funciones de onda orbitales. Ejemplo: caso 2s, 2p:

7 Tema 1: Introducción al estudio de los metales de transición. El asunto de las configuraciones electrónicas. Es necesario considerar el cuadrado de las funciones de onda orbitales. Ejemplo: caso 3s, 3p, 3d:

8 Tema 1: Introducción al estudio de los metales de transición. El asunto de las configuraciones electrónicas. 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.

9 Tema 1: Introducción al estudio de los metales de transición. El asunto de las configuraciones electrónicas. b) Efecto de apantallamiento: 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.

10 Tema 1: Introducción al estudio de los metales de transición. El asunto de las configuraciones electrónicas. b) Efecto de apantallamiento: 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.

11 Tema 1: Introducción al estudio de los metales de transición. El asunto de las configuraciones electrónicas. b) Efecto de apantallamiento: 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

12 Tema 1: Introducción al estudio de los metales de transición. El asunto de las configuraciones electrónicas. b) Efecto de apantallamiento: 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 constante de apantallamiento.

13 Tema 1: Introducción al estudio de los metales de transición. El asunto de las configuraciones electrónicas. b) Efecto de 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

14 Tema 1: Introducción al estudio de los metales de transición. El asunto de las configuraciones electrónicas. b) Efecto de apantallamiento: Ahora si podemos entender parcialmente las variaciones energéticas de los orbitales con el llenado electrónico puesto que:

15 Tema 1: Introducción al estudio de los metales de transición. El asunto de las configuraciones electrónicas.

16 Tema 1: Introducción al estudio de los metales de transición. El asunto de las configuraciones electrónicas. 1ra serie de transición. Elemento y símbolo ZConfiguración Escandio. Sc21[Ar]3d 1 4s 2 Titanio. Ti22[Ar]3d 2 4s 2 Vanadio. V23[Ar]3d 3 4s 2 Cromo. Cr24[Ar]3d 5 4s 1 real [Ar]3d 4 4s 2 esperada Manganeso. Mn25[Ar]3d 5 4s 2 Hierro. Fe26[Ar]3d 6 4s 2 Cobalto. Co27[Ar]3d 7 4s 2 Níquel. Ni28[Ar]3d 8 4s 2 Cobre. Cu29[Ar]3d 10 4s 1 real [Ar]3d 9 4s 2 esperada Zinc. Zn30[Ar]3d 10 4s 2

17 Tema 1: Introducción al estudio de los metales de transición. El asunto de las configuraciones electrónicas. 2da serie de transición. Elemento y símbolo ZConfiguración Ytrio. Y39[Kr]4d 1 5s 2 Zirconio. Zr40[Kr]4d 2 5s 2 Niobio. Nb41[Kr]4d 4 5s 1 real [Kr]4d 3 5s 2 esperado Molibdeno. Mo42[Kr]4d 5 5s 1 real [Kr]4d 4 5s 2 esperado Tecnecio. Tc43[Kr]4d 5 5s 2 Rutenio. Ru44[Kr]4d 7 5s 1 real [Kr]4d 6 5s 2 esperado Rodio. Rh45[Kr]4d 8 5s 1 real [Kr]4d 7 5s 2 esperado Paladio. Pd46[Kr]4d 10 real [Kr]4d 8 5s 2 esperado Plata. Ag47[Kr]4d 10 5s 1 real Cadmio. Cd48[Kr]4d 10 5s 2

18 Tema 1: Introducción al estudio de los metales de transición. El asunto de las configuraciones electrónicas. 3ra serie de transición. Elemento y símbolo ZConfiguración Lantano. La57[Xe]5d 1 6s 2 Hafnio. Hf72[Xe]4f 14 5d 2 6s 2 Tantalio. Ta73[Xe]4f 14 5d 3 6s 2 Tungsteno. W74[Xe]4f 14 5d 4 6s 2 Renio. Re75[Xe]4f 14 5d 5 6s 2 Osmio. Os76[Xe]4f 14 5d 6 6s 2 Iridio. Ir77[Xe]4f 14 5d 7 6s 2 Platino. Pt78[Xe]4f 14 5d 9 6s 1 real [Xe]4f 14 5d 8 6s 2 esperado [Xe]4f 14 5d 10 esperado Oro. Au79[Xe]4f 14 5d 10 6s 1 Mercurio. Hg80[Xe]4f 14 5d 10 6s 2

19 Tema 1: Introducción al estudio de los metales de transición. El asunto de las configuraciones electrónicas. serie lantánida. Elemento y símbolo ZConfiguración Cerio. Ce58[Xe]4f 1 5d 1 6s 2 Praseodimio. Pr59[Xe]4f 3 6s 2 Neodimio. Nd60[Xe]4f 4 6s 2 Prometio. Pm61[Xe]4f 5 6s 2 Samario. Sm62[Xe]4f 6 6s 2 Europio. Eu63[Xe]4f 7 6s 2 Gadolinio. Gd64[Xe]4f 7 5d 1 6s 2 Terbio. Tb65[Xe]4f 9 6s 2 Disprosio. Dy66[Xe]4f 10 6s 2 Holmio. Ho67[Xe]4f 11 6s 2 Erbio. Er68[Xe]4f 12 6s 2 Tulio. Tm69[Xe]4f 13 6s 2 Yterbio. Yb70[Xe]4f 14 6s 2 Lutecio. Lu71[Xe]4f 14 5d 1 6s 2

20 Tema 1: Introducción al estudio de los metales de transición. El asunto de las configuraciones electrónicas. serie actínida. Elemento y símbolo ZConfiguración Torio. Th90[Rn]6d 2 7s 2 Protactinio. Pa91[Rn]5f 2 6d 1 7s 2 Uranio. U92[Rn]5f 3 6d 1 7s 2 Neptunio. Np93[Rn]5f 4 6d 1 7s 2 Plutonio. Pu94[Rn]5f 6 7s 2 Americio. Am95[Rn]5f 7 7s 2 Curio. Cm96[Rn]5f 7 6d 1 7s 2 Berkelio. Bk97[Rn]5f 7 6d 2 7s 2 Californio. Cf98[Rn]5f 9 6d 1 7s 2 Einstenio. Es99[Rn]5f 11 7s 2 Fermio. Fm100[Rn]5f 12 7s 2 Mendelevio. Md101[Rn]5f 13 7s 2 Nobelio. No102[Rn]5f 14 7s 2 Laurencio. Lr103[Rn]5f 14 6d 1 7s 2

21 Tema 1: Introducción al estudio de los metales de transición. CONCLUSIÓN. Ahora debería estar aquí. Aquí estaba su nivel de conocimiento sobre estructura electrónica.

22 Tema 1: Introducción al estudio de los metales de transición. El asunto de las configuraciones electrónicas. 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.

23 Tema 1: Introducción al estudio de los metales de transición. El asunto de las configuraciones electrónicas. Proceso de formación de iones a partir de la configuración electrónica. Clasificación de los iones. . Sin electrones internos. Caso único H + . Iones de configuración de gas inerte. ns 2 np 6 grupos 1, 2 y 3 Na + Mg 2+ Al 3+ grupos 15, 16 y 17 N 3- O 2- F -

24 . Par inerte s 2. Elementos con ns 2 np x (x = 1, 2 y 3) y pierden sus electrones p. Ejemplo: Sb 3+, Sn 2+, etc. Tema 1: Introducción al estudio de los metales de transición. El asunto de las configuraciones electrónicas. Proceso de formación de iones a partir de la configuración electrónica. Clasificación de los iones. . Iones que contienen 18 e- en su última capa. Zn 2+ = [Ne]3s 2 3p 6 3d 10 = Cu + = Ga 3+ = Ge 4+

25 . Iones f. Iones con la subcapa f parcialmente vacía. Ejemplo: Gd = [Xe]4f 7 5d 1 6s 2 Gd 3+ = [Xe]4f 7 Tema 1: Introducción al estudio de los metales de transición. El asunto de las configuraciones electrónicas. Proceso de formación de iones a partir de la configuración electrónica. Clasificación de los iones. . Iones d. Iones de configuración ns 2 np 6 nd x ( x = 1 a 9). Ejemplo: Cr 2+ Co 2+ Fe 3+, etc.

26 Tema 1: Introducción al estudio de los metales de transición. El asunto de las configuraciones electrónicas. Proceso de formación de iones a partir de la configuración electrónica. Clasificación de los iones. . iones poliatómicos. Química de coordinación Ejemplos: [Cu(NH 3 ) 4 ] 2+ [PtCl 3 (C 2 H 4 )] -

27 Tema 1: Introducción al estudio de los metales de transición. Características de los metales de transición. . En algunos casos las configuraciones electrónicas no son las esperadas. . Todos son metales y presentan propiedades metálicas. Brillo

28 Tema 1: Introducción al estudio de los metales de transición. Características de los metales de transición. Conductividad calórica eléctrica Formación de aleaciones (son disoluciones sólidas)

29 Tema 1: Introducción al estudio de los metales de transición. Características de los metales de transición. . Algunos son electropositivos y otros son nobles. . Valencias, número de coordinación y geometrías de los compuestos variables. . Compuestos coloreados. . Diferencias en el comportamiento magnético.

30 Tema 1: Introducción al estudio de los metales de transición. Configuraciones electrónicas y términos atómicos. Ejemplo: el sistema planetario. descripción del estado energético del sistema Acoplamiento j-j Acoplamiento L-S

31 Tema 1: Introducción al estudio de los metales de transición. Configuraciones electrónicas y términos atómicos. 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).

32 Tema 1: Introducción al estudio de los metales de transición. Configuraciones electrónicas y términos atómicos. Cambios importantes para la descripción del esquema Russell-Saunders. Primeras características del modelo.

33 Tema 1: Introducción al estudio de los metales de transición. Configuraciones electrónicas y términos atómicos. 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

34 Tema 1: Introducción al estudio de los metales de transición. Configuraciones electrónicas y términos atómicos. Ejemplos: MLML MSMS microestado (M L, M S ) término R-S sin acoplamiento L-S se lee término R-S con acoplamiento L-S 41/2(4, 1/2) 2G2Gdoblete G 2 G 9/2 23/2(2, 3/2) 4D4Dcuartete D 4 D 7/2 01(0, 1) 3S3Striplete S 3S13S1 00(0, 0) 1S1Ssinglete S 1S01S0 .- Para cada par (ML, MS), el número de microestados posibles es: (2L + 1) (2S + 1)

35 Tema 1: Introducción al estudio de los metales de transición. Configuraciones electrónicas y términos atómicos. 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 tal que  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

36 Tema 1: Introducción al estudio de los metales de transición. Configuraciones electrónicas y términos atómicos. .- 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 físicamente iguales Nota: solo puede violarse el criterio de máxima multiplicidad de Hund. .- Se escriben todos los pares (ML, MS).

37 Tema 1: Introducción al estudio de los metales de transición. Configuraciones electrónicas y términos atómicos. .- Se escriben los términos R-S sin considerar el acolplamiento L-S. Empezar por el mayor valor de M L considerando todas las posibilidades de M S. Calcule el número de microestados a obtener para el par (M L, M S ) 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.

38 Tema 1: Introducción al estudio de los metales de transición. Configuraciones electrónicas y términos atómicos. 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.

39 Tema 1: Introducción al estudio de los metales de transición. Configuraciones electrónicas y términos atómicos. Caso carbono. Z = 6. Conf. electrónica [C] = 1s 2 2s 2 2p 2. (caso p 2 )

40 Tema 1: Introducción al estudio de los metales de transición. Configuraciones electrónicas y términos atómicos. Caso carbono. Z = 6. Conf. electrónica [C] = 1s 2 2s 2 2p 2. (caso p 2 ) mayor valor ML = 2 posibles MS = 0 (2L + 1)(2S + 1) = 5 x 1 = 5 microestados: (2,0 ) (1,0) (0,0) (-1,0) (-2,0 ) término: 1 D valor ML = 1 posibles MS = 1, 0, -1 (2L + 1)(2S + 1) = 3 x 3 = 9 microestados: (1,1) (0,1) (-1,1) (1,0) (0,0) (-1,0) (1,-1) (0,-1) (-1,-1) término: 3 P valor ML = 0 posibles MS = 0 (2L + 1)(2S + 1) = 1 x 1 = 1 microestado: (0,0) término: 1 S Resumen de términos: ____5___ términos:__ 1 D_ ____9___ términos:__ 3 P_ _15_ microestados ____1___ término: __ 1 S_

41 Tema 1: Introducción al estudio de los metales de transición. Configuraciones electrónicas y términos atómicos. Caso carbono. Z = 6. Conf. electrónica [C] = 1s 2 2s 2 2p 2. (caso p 2 ) Desdoblamiento de términos R-S:

42 Tema 1: Introducción al estudio de los metales de transición. Configuraciones electrónicas y términos atómicos. Caso nitrógeno. Z = 7. Conf. electrónica [N] = 1s 2 2s 2 2p 3. (caso p 3 )

43 Tema 1: Introducción al estudio de los metales de transición. Configuraciones electrónicas y términos atómicos. mayor valor L = 2 posibles S = +1/2, -1/2 (2L + 1)(2S + 1) = 5 x 2 = 10 microestados: ( 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: 2 D Caso nitrógeno. Z = 7. Conf. electrónica [N] = 1s 2 2s 2 2p 3. (caso p 3 ) valor L = 1 posibles S = +1/2, -1/2 (2L + 1)(2S + 1) = 3 x 2 = 6 microestados: ( 1, 1/2) (0, 1/2) ( -1, 1/2) ( 1, -1/2) ( 0, -1/2) ( -1, -1/2) término: 2 P valor L = 0 posibles S = 3/2, 1/2, -1/2, -3/2 (2L + 1)(2S + 1) = 1 x 4 = 4 microestado: ( 0, 3/2 ) ( 0, 1/2) (0, -1/2) (0, -3/2) término: 4 S Resumen: 10 términos 2 D, 6 términos 2 P y 4 términos 4 S.

44 Tema 1: Introducción al estudio de los metales de transición. Configuraciones electrónicas y términos atómicos. Caso nitrógeno. Z = 7. Conf. electrónica [N] = 1s 2 2s 2 2p 3. (caso p 3 ) Desdoblamiento de términos R-S:

45 Tema 1: Introducción al estudio de los metales de transición. Configuraciones electrónicas y términos atómicos. Sistema pp