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  3. Química inorgânica  3.1. Química de coordenação  3.1.1. Teoria do Campo Cristalino  3.1.2. Teoria do campo dos ligantes  3.1.3. Série Espectroquímica  3.1.4. Quelação e estabilidade  3.2. Química Organometálica  3.2.1. Carbonilos Metálicos  3.2.2. Catalise por complexos organometálicos  3.2.3. Metalocènicos  3.3. Química bioinorgânica  3.3.1. Metaloproteínas e enzimas  3.3.2. O papel dos metais em sistemas biológicos  3.3.3. Transporte e armazenamento de íons metálicos  3.4. Química do estado sólido  3.4.1. Estruturas Cristalinas  3.4.2. Teoria de bandas dos sólidos  3.4.3. Supercondutores  3.4.4. Defeitos no cristal  3.5. Lantanídeos e Actinídeos  3.5.1. Configuração eletrônica em lantanídeos e actinídeos  3.5.2. Química de coordenação dos lantanídeos  3.5.3. Propriedades Magnéticas dos Lantanídeos
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Série Espectroquímica


A química de coordenação é um ramo fascinante da química inorgânica que se concentra no estudo de compostos formados entre íons metálicos e ligantes. Um conceito importante dentro deste campo é a "série espectroquímica," uma lista de ligantes comuns classificados de acordo com sua capacidade de dividir os orbitais d do íon metálico central em um complexo. Esta divisão afeta as propriedades eletrônicas do complexo e pode influenciar sua cor, estabilidade e reatividade. Neste guia abrangente, iremos aprofundar nos detalhes da série espectroquímica, suas origens, importância e aplicações.

Definição de série espectroquímica

A série espectroquímica é uma sequência que classifica ligantes de acordo com sua força em termos de sua força de campo ou parâmetro de divisão do campo cristalino (Δ). De forma mais simples, classifica ligantes que vão desde aqueles que produzem uma pequena divisão dos orbitais d até aqueles que causam uma grande divisão. Esta série é importante para prever a geometria e a cor dos compostos de coordenação.

        Ligantes de campo fraco: I -, Br -, Cl -, F -, OH -, C 2 O 4 2-, H 2 O
        
        Ligante intermediário: NCS-, NH3, N(etilenodiamina)

        Ligantes de campo forte: NO 2 -, CN -, CO

É importante entender que as séries espectroquímicas fornecem apenas tendências gerais. O estado exato do ligante pode variar dependendo do íon metálico ao qual está ligado, o estado de oxidação do metal e outros fatores.

Origem e contexto histórico

O conceito de série espectroquímica surgiu a partir de estudos sobre os espectros eletrônicos e propriedades magnéticas de complexos de coordenação. Esses estudos ocorreram no início do século XX, quando pesquisadores como Alfred Werner começaram a explorar a natureza dos compostos de coordenação. Mais tarde, técnicas mais sofisticadas, como a espectroscopia UV-Vis e a suscetibilidade magnética, fortaleceram o entendimento e a validação das séries espectroquímicas.

Fundamentação teórica

Teoria do campo cristalino

Central para a série espectroquímica está a teoria do campo cristalino (CFT), que descreve como a degenerescência dos orbitais d do metal é afetada pela presença dos ligantes ao redor. De acordo com a CFT:

  • Ocorre repulsão à medida que os elétrons dos ligantes se aproximam do íon metálico central, resultando na divisão dos orbitais d degenerados em diferentes níveis de energia.
  • Em um campo octaédrico, os orbitais d dividem-se em dois conjuntos: orbitais t 2g (d xy, d xz, d yz) de energia mais baixa e e g (d x 2 -y 2, d z 2) orbitais de maior energia.
         e.g.
         | Δ
         T2G

A magnitude de Δ (energia de divisão do campo cristalino) determina se um ligante é um ligante de campo fraco ou de campo forte.

Teoria do campo dos ligantes

A teoria do campo dos ligantes (LFT) baseia-se na CFT incorporando a teoria do orbital molecular. Esta teoria leva em consideração as interações covalentes entre os íons metálicos e os ligantes, proporcionando uma explicação mais abrangente das propriedades de ligação e eletrônicas. LFT considera tanto interações σ quanto π, que podem aumentar ou diminuir a divisão dependendo da natureza do ligante.

Fatores que afetam a série espectroquímica

Vários fatores afetam onde um ligante se posiciona na série espectroquímica:

Natureza do íon metálico

O tipo de metal, seu estado de oxidação e configuração eletrônica podem afetar o efeito que um ligante tem na divisão dos orbitais d. Metais de transição com estados de oxidação mais altos geralmente produzem maiores energias de divisão do campo cristalino.

Geometria do complexo

A geometria de um complexo afeta como os orbitais d são divididos. Por exemplo, em um campo tetraédrico, os orbitais d são divididos de forma oposta do que em um complexo octaédrico.

         T2G
        | Δ
         e.g.

O conceito de complexos de alto-spin e baixo-spin existe principalmente na geometria octaédrica.

Propriedades eletrônicas do ligante

Ligantes com potenciais π-doador e π-aceptor podem mudar suas posições dentro da série espectroquímica. Por exemplo, ligantes com potenciais π-aceptor, como CO, são ligantes de campo forte.

Aplicações da série espectroquímica

Compreender a série espectroquímica tem aplicações no mundo real nas seguintes áreas:

Catalise

A natureza da coordenação do ligante afeta a atividade e seletividade catalítica dos catalisadores centrados em metais. Ligantes de campo forte podem influenciar ciclos catalíticos ao estabilizar estados de oxidação ou intermediários específicos.

Bio-química inorgânica

Em sistemas biológicos, íons metálicos coordenados a biomoléculas frequentemente exibem propriedades eletrônicas únicas que são importantes para funções como transporte de oxigênio, transferência de elétrons e atividade enzimática. As propriedades espectroquímicas dos centros metálicos biológicos podem explicar sua função e reatividade.

Cor dos complexos

A cor vista em compostos de coordenação surge devido a transições d-d, que são fortemente afetadas pela magnitude da divisão do campo cristalino. Ligantes de campo fraco resultam em pequenas divisões, muitas vezes produzindo complexos de cor clara, enquanto ligantes de campo forte resultam em grandes divisões, muitas vezes resultando em cores ricas e profundas.

Exemplos de série espectroquímica

Exemplo 1: Predição de estados de spin

Considere o complexo [Fe(H 2 O) 6 ] 3+. A água é um ligante de campo fraco, então o complexo forma um estado de alto-spin. Em contraste, [Fe(CN) 6 ] 3- forma um estado de baixo-spin com cianeto (um ligante de campo forte).

Exemplo 2: Compreender a mudança de cor

A cor púrpura de [Cr(H 2 O) 6 ] 3+ está em contraste com a cor laranja-vermelha de [Cr(NH 3 ) 6 ] 3+. Esta transição de um ligante de campo fraco para um ligante de força média resulta em uma transição d-d alterada e, assim, em uma cor diferente.

Conclusão

A série espectroquímica é um conceito fundamental na química de coordenação, fornecendo percepções profundas sobre as propriedades eletrônicas dos complexos metálicos. Ao entender esta série, os químicos podem prever não apenas a geometria e a cor dos complexos, mas também sua reatividade e estabilidade. Conhecer a localização de um ligante na série espectroquímica facilita a síntese direcionada de compostos de coordenação para aplicações desejadas, tornando-se uma ferramenta importante na química inorgânica moderna.


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