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

Transcripción

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

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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 El asunto de las configuraciones electrónicas. a) Efecto de penetración: Parte radial de la función de onda.

5 El asunto de las configuraciones electrónicas. a) Efecto de penetración: Cuadrado de la parte radial de la función de onda.

6 El asunto de las configuraciones electrónicas. Es necesario considerar el cuadrado de las funciones de onda orbitales. Ejemplo: caso 2s, 2p:

7 El asunto de las configuraciones electrónicas. Es necesario considerar el cuadrado de las funciones de onda orbitales. Ejemplo: caso 3s, 3p, 3d:

8 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 El asunto de las configuraciones electrónicas. b) Efecto de apantallamiento: Caso 1. El electrón que estamos considerando está en un orbital s o p. 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.

10 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 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 = 0.35x x x 10 = Z* = = 4.35 Z* para un e-3s: A = 0.35 x x x 2 = Z* = = 18.75

12 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 Igual que en el caso 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 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 x 18 = Z* = = 8.85

14 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: E 2π = 2 m e n e 2 h 4 2 Z * 2 = 13.6eVZ* n 2 2

15 El asunto de las configuraciones electrónicas.

16 Tema 1: Introducción al estudio de los metales de transición. Elemento y símbolo Z Configuración Escandio. Sc 21 [Ar]3d 1 4s 2 Titanio. Ti 22 [Ar]3d 2 4s 2 Vanadio. V 23 [Ar]3d 3 4s 2 El asunto de las configuraciones electrónicas. 1ra serie de transición. Cromo. Cr 24 [Ar]3d 5 4s 1 real [Ar]3d 4 4s 2 esperada Manganeso. Mn 25 [Ar]3d 5 4s 2 Hierro. Fe 26 [Ar]3d 6 4s 2 Cobalto. Co 27 [Ar]3d 7 4s 2 Níquel. Ni 28 [Ar]3d 8 4s 2 Cobre. Cu 29 [Ar]3d 10 4s 1 real [Ar]3d 9 4s 2 esperada Zinc. Zn 30 [Ar]3d 10 4s 2

17 Tema 1: Introducción al estudio de los metales de transición. Elemento y símbolo Z Configuración Ytrio. Y 39 [Kr]4d 1 5s 2 Zirconio. Zr 40 [Kr]4d 2 5s 2 Niobio. Nb 41 [Kr]4d 4 5s 1 real [Kr]4d 3 5s 2 esperado El asunto de las configuraciones electrónicas. 2da serie de transición. Molibdeno. Mo 42 [Kr]4d 5 5s 1 real [Kr]4d 4 5s 2 esperado Tecnecio. Tc 43 [Kr]4d 5 5s 2 Rutenio. Ru 44 [Kr]4d 7 5s 1 real [Kr]4d 6 5s 2 esperado Rodio. Rh 45 [Kr]4d 8 5s 1 real [Kr]4d 7 5s 2 esperado Paladio. Pd 46 [Kr]4d 10 real [Kr]4d 8 5s 2 esperado Plata. Ag 47 [Kr]4d 10 5s 1 real Cadmio. Cd 48 [Kr]4d 10 5s 2

18 Tema 1: Introducción al estudio de los metales de transición. Elemento y símbolo Z Configuración Lantano. La 57 [Xe]5d 1 6s 2 Hafnio. Hf 72 [Xe]4f 14 5d 2 6s 2 Tantalio. Ta 73 [Xe]4f 14 5d 3 6s 2 Tungsteno. W 74 [Xe]4f 14 5d 4 6s 2 El asunto de las configuraciones electrónicas. 3ra serie de transición. Renio. Re 75 [Xe]4f 14 5d 5 6s 2 Osmio. Os 76 [Xe]4f 14 5d 6 6s 2 Iridio. Ir 77 [Xe]4f 14 5d 7 6s 2 Platino. Pt 78 [Xe]4f 14 5d 9 6s 1 real [Xe]4f 14 5d 8 6s 2 esperado [Xe]4f 14 5d 10 esperado Oro. Au 79 [Xe]4f 14 5d 10 6s 1 Mercurio. Hg 80 [Xe]4f 14 5d 10 6s 2

19 Tema 1: Introducción al estudio de los metales de transición. Elemento y símbolo Z Configuración Cerio. Ce 58 [Xe]4f 1 5d 1 6s 2 Praseodimio. Pr 59 [Xe]4f 3 6s 2 Neodimio. Nd 60 [Xe]4f 4 6s 2 Prometio. Pm 61 [Xe]4f 5 6s 2 Samario. Sm 62 [Xe]4f 6 6s 2 El asunto de las configuraciones electrónicas. serie lantánida. Europio. Eu 63 [Xe]4f 7 6s 2 Gadolinio. Gd 64 [Xe]4f 7 5d 1 6s 2 Terbio. Tb 65 [Xe]4f 9 6s 2 Disprosio. Dy 66 [Xe]4f 10 6s 2 Holmio. Ho 67 [Xe]4f 11 6s 2 Erbio. Er 68 [Xe]4f 12 6s 2 Tulio. Tm 69 [Xe]4f 13 6s 2 Yterbio. Yb 70 [Xe]4f 14 6s 2 Lutecio. Lu 71 [Xe]4f 14 5d 1 6s 2

20 Tema 1: Introducción al estudio de los metales de transición. Elemento y símbolo Z Configuración Torio. Th 90 [Rn]6d 2 7s 2 Protactinio. Pa 91 [Rn]5f 2 6d 1 7s 2 Uranio. U 92 [Rn]5f 3 6d 1 7s 2 Neptunio. Np 93 [Rn]5f 4 6d 1 7s 2 Plutonio. Pu 94 [Rn]5f 6 7s 2 El asunto de las configuraciones electrónicas. serie actínida. Americio. Am 95 [Rn]5f 7 7s 2 Curio. Cm 96 [Rn]5f 7 6d 1 7s 2 Berkelio. Bk 97 [Rn]5f 7 6d 2 7s 2 Californio. Cf 98 [Rn]5f 9 6d 1 7s 2 Einstenio. Es 99 [Rn]5f 11 7s 2 Fermio. Fm 100 [Rn]5f 12 7s 2 Mendelevio. Md 101 [Rn]5f 13 7s 2 Nobelio. No 102 [Rn]5f 14 7s 2 Laurencio. Lr 103 [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 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 El asunto de las configuraciones electrónicas. Clasificación de los iones. Proceso de formación de iones a partir de la configuración electrónica.. 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 El asunto de las configuraciones electrónicas. Clasificación de los iones. Proceso de formación de iones a partir de la configuración electrónica.. Iones que contienen 18 e- en su última capa. Zn 2+ = [Ne]3s 2 3p 6 3d 10 = Cu + = Ga 3+ = Ge 4+. 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.

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

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

27 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 Características de los metales de transición. Conductividad calórica eléctrica Formación de aleaciones (son disoluciones sólidas)

29 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 Configuraciones electrónicas y términos atómicos. Ejemplo: el sistema planetario. descripción del estado energético del sistema Acoplamiento j-j Acoplamiento L-S

31 Configuraciones electrónicas y términos atómicos. Acoplamiento j-j. Acoplamiento L-S. Esquema apropiado para los átomos pesados. Esquema apropiado para los átomos livianos. Aquí nos limitaremos al estudio de los sistemas suponiendo un acoplamiento L-S (acoplamiento Russell-Saunders).

32 Configuraciones electrónicas y términos atómicos. Cambios importantes para la descripción del esquema Russell-Saunders. Primeras características del modelo.

33 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 Configuraciones electrónicas y términos atómicos. Ejemplos: M L M S microestado (M L, M S ) término R-S sin acoplamiento L-S se lee término R-S con acoplamiento L-S 4 1/2 (4, 1/2) 2 G doblete G 2 G 9/2 2 3/2 (2, 3/2) 4 D cuartete D 4 D 7/2 0 1 (0, 1) 3 S triplete S 3 S (0, 0) 1 S singlete S 1 S 0.- Para cada par (ML, MS), el número de microestados posibles es: (2L + 1) (2S + 1)

35 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 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 Nota: solo puede violarse el criterio de máxima multiplicidad de Hund. físicamente iguales.- Se escriben todos los pares (ML, MS).

37 Configuraciones electrónicas y términos atómicos..- 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.

38 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 Configuraciones electrónicas y términos atómicos. Caso carbono. Z = 6. Conf. electrónica [C] = 1s 2 2s 2 2p 2. (caso p 2 )

40 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 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 Configuraciones electrónicas y términos atómicos. Caso nitrógeno. Z = 7. Conf. electrónica [N] = 1s 2 2s 2 2p 3. (caso p 3 )

43 Configuraciones electrónicas y términos atómicos. Caso nitrógeno. Z = 7. Conf. electrónica [N] = 1s 2 2s 2 2p 3. (caso p 3 ) 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 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 Desdoblamiento de términos R-S: Configuraciones electrónicas y términos atómicos. Caso nitrógeno. Z = 7. Conf. electrónica [N] = 1s 2 2s 2 2p 3. (caso p 3 )

45 Configuraciones electrónicas y términos atómicos. Sistema pp