Serie espectroquímica: definición y clases de ligandos

Serie espectroquímica

La serie espectroquímica es una lista de ligandos (uniones a un ion metálico) ordenados por su intensidad de campo. No es posible formar la serie completa estudiando complejos con un solo ion metálico; la serie ha sido desarrollada superponiendo diferentes secuencias obtenidas de estudios espectroscópicos. El orden de los ligandos comunes de acuerdo con su creciente fuerza de campo de ligando está en esta lista:

Esta serie se utiliza cualitativamente. Los ligandos cianuro y CO se consideran ligandos de campo fuerte y los haluros se denominan ligandos de campo débil. Se dice que ligandos como el agua y el amoniaco producen efectos de campo medio.

División del campo de cristal

Para comprender la importancia de la serie espectroquímica, necesitamos comprender la teoría del campo cristalino (o CFT), que explica cómo los ligandos afectan el nivel de energía de los orbitales degenerados (orbitales que simultáneamente tienen más de un estado de energía medible y distinto) en complejos de coordinación. En esta teoría, se considera que los ligandos son cargas puntuales negativas, y se supone que los electrones metálicos ocupan los orbitales atómicos apropiados del metal. La teoría considera la interacción electrostática entre un metal y sus ligandos. Las interacciones son:

a) Atracción electrostática entre el núcleo metálico positivo y los electrones cargados negativamente de los ligandos.

b) Repulsión electrostática entre la capa de valencia del metal y los electrones del ligando.

El paso (a) dará como resultado una disminución general de la energía del sistema y el paso (b) dará como resultado un aumento general de la energía del sistema. Esto da como resultado una división del orbital degenerado.

El tamaño de la división se denomina parámetro de división del campo cristalino (o PESC) y está representado por Δ. Los ligandos de campo fuerte repelen los electrones del metal con mucha eficacia, produciendo grandes divisiones. Los ligandos de campo débil solo repelen parcialmente los electrones, produciendo divisiones más pequeñas. Si bien el tamaño depende en parte del ligando, tanto el tamaño como el número de divisiones de energía se ven afectados principalmente por la geometría del complejo. En esta lección, repasaremos las divisiones octaédricas y tetraédricas para tener una idea de cómo la fuerza del ligando afecta a los complejos.

Divisiones octaédricas

Observe el diagrama del complejo octaédrico. Recuerde que los complejos octaédricos tienen seis ligandos y son simétricos, y que los diez posibles d electrones pueden ocupar hasta cinco orbitales: d z2 , d x2-y2 , d xy , d yz y d xz .

Como puede ver en el diagrama, los electrones en los campos octaédricos tienen dos niveles de energía posibles. Debido a que los complejos octaédricos son simétricos, los cinco orbitales diferentes se pueden simplificar en dos conjuntos de orbitales: el de mayor energía e gy el de menor energía t 2g .

La fuerza del ligando afecta la forma en que los electrones llenan estos orbitales. Cuando están rodeados de ligandos de campo débil, los electrones llenan los orbitales de forma normal: un electrón llena cada orbital antes de que se una a otro. Estos complejos tienen un espín alto. Los ligandos de campo fuerte empujan los electrones hacia los orbitales de menor energía, de modo que los orbitales t 2g se llenan por completo antes de que los orbitales e g comiencen a llenarse. Estos complejos tienen un giro bajo.

Divisiones tetraédricas

Recuerde que los complejos tetraédricos tienen 4 ligandos y no son simétricos. Si bien los electrones actúan de manera similar a los electrones en los complejos octaédricos, existen algunas diferencias clave:

• Debido a la falta de simetría, los niveles de energía no tienen un subíndice g . Las energías orbitales también se invierten debido a diferencias en la geometría del campo cristalino.
• Δ tet es generalmente menos de la mitad de Δ oct , y colocar dos electrones en un orbital antes de que todos los orbitales estén ocupados rara vez es favorable. Por lo tanto, los complejos tetraédricos son casi siempre de alto espín.

Otras divisiones

Las otras geometrías (plano cuadrado, bipiramidal trigonal, piramidal cuadrado, etc.) dividen los cinco orbitales de diferentes maneras.

Ejemplos

Veamos algunos ejemplos.

Considere el complejo octaédrico [Co (H 2 O) 6 ] 2+ . Según la serie espectroquímica, el H 2 O es un ligando de campo débil a medio. Aquí, el Co está en un estado de oxidación +2 con electrones de 7 d . Debido a que el H 2 O no es lo suficientemente fuerte como para forzar a los electrones a llenar primero el t 2g , la configuración es t 2g 5 , e g 2 . Este es un complejo de alto espín con 3 electrones no apareados.

Ahora veamos [Co (CN) 6 ] 4- . También es octaédrico, y el Co está nuevamente en un estado de oxidación +2. Sin embargo, debido a que CN es un ligando de campo fuerte, la configuración es t 2g 6 e g 1 . Este es un complejo de bajo espín con 1 electrón desapareado.

Ahora considere el complejo tetraédrico CoCl 4 2- . El metal central (Co) tiene 4 ligandos de cloruro de campo débil. En este complejo, el cobalto está nuevamente en estado de oxidación +2. El Cl es un ligando de campo bastante débil y Δ es menor que en un octaedro. Los electrones no se emparejarán en los orbitales de baja energía. Por tanto, la configuración es t 2 4 e 3 . Como casi todos los demás complejos tetraédricos, este complejo es de alto espín.

Resumen de la lección

Dediquemos unos momentos a revisar la información importante que hemos aprendido. La serie espectroquímica es una forma conveniente de organizar ligandos por intensidad de campo. Los ligandos afectan los electrones d de los metales, dividiendo los niveles de energía degenerados en niveles de energía más organizados. El tamaño de la división se denomina parámetro de división del campo cristalino y se abrevia Δ. Diferentes geometrías complejas se dividen de diferentes maneras debido a la forma del campo cristalino.

Los ligandos de campo débil, como el yoduro, provocan divisiones relativamente pequeñas, por lo que los electrones ocupan estos orbitales uno por uno hasta que todos los orbitales están ocupados. Los complejos resultantes se denominan complejos de bajo espín. Los ligandos de campo fuerte como el cianuro pueden causar divisiones tan grandes que los electrones llenan completamente los orbitales de menor energía antes de ocupar los orbitales de mayor energía. Estos complejos se denominan complejos de alto espín. El giro depende de la geometría del complejo, así como de la intensidad del campo del ligando.