El asunto de las configuraciones electrónicas

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.
Tema 1: Introducción al estudio de los metales de transición.
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)
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.
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El asunto de las configuraciones electrónicas.
a) Efecto de penetración:
Cuadrado de la parte radial de la función de onda.
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:
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:
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* = Carga nuclear efectiva.
Z = Carga nuclear real.
A = Constante de Slater.
Z* = Z - A
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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.
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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.
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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
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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.
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
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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:
2π2me e 4 Z *2 − 13.6eVZ *2
E=−
=
2 2
2
nh
n
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El asunto de las
configuraciones
electrónicas.
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estudio de los
metales de transición.
El asunto de las
configuraciones
electrónicas.
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
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estudio de los
metales de transición.
El asunto de las
configuraciones
electrónicas.
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
Tema 1: Introducción al
estudio de los
metales de transición.
El asunto de las
configuraciones
electrónicas.
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
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estudio de los
metales de transición.
El asunto de las
configuraciones
electrónicas.
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
Tema 1: Introducción al
estudio de los
metales de transición.
El asunto de las
configuraciones
electrónicas.
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
Tema 1: Introducción al
estudio de los
metales de transición.
CONCLUSIÓN.
Ahora debería estar aquí.
Aquí estaba su nivel de
conocimiento sobre
estructura electrónica.
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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 es una propiedad periódica.
AE
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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.
grupos 1, 2 y 3
grupos 15, 16 y 17
ns2np6
Na+ Mg2+ Al3+
N3- O2- F-
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.
Zn2+ = [Ne]3s23p63d10 = Cu+ = Ga3+ = Ge4+
♣. Par inerte s2. Elementos con ns2npx (x = 1, 2 y 3)
y pierden sus electrones p.
Ejemplo:
Sb3+, Sn2+, 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 d. Iones de configuración ns2np6ndx
( x = 1 a 9).
Ejemplo: Cr2+ Co2+ Fe3+, etc.
♣. Iones f. Iones con la subcapa f parcialmente
vacía.
Ejemplo: Gd = [Xe]4f75d16s2
Gd3+ = [Xe]4f7
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(NH3)4]2+
[PtCl3(C2H4)]-
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
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)
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.
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
Tema 1: Introducción al estudio de los metales de transición.
Configuraciones electrónicas y términos atómicos.
Acoplamiento j-j.
Esquema apropiado para
los átomos pesados.
Acoplamiento L-S.
Esquema apropiado para
los átomos livianos.
Aquí nos limitaremos al estudio de los sistemas
suponiendo un acoplamiento L-S (acoplamiento Russell-Saunders).
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.
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
Tema 1: Introducción al estudio de los metales de transición.
Configuraciones electrónicas y términos atómicos.
Ejemplos:
ML
MS
microestado
(ML, MS)
término R-S sin
acoplamiento L-S
se
lee
4
1/2
(4, 1/2)
2G
doblete G
2G
9/2
2
3/2
(2, 3/2)
4D
cuartete
D
4D
7/2
término R-S con
acoplamiento L-S
0
1
(0, 1)
3S
triplete S
3S
1
0
0
(0, 0)
1S
singlete S
1S
0
♣.- Para cada par (ML, MS), el número de microestados posibles es:
(2L + 1) (2S + 1)
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
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).
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 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.
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.
Tema 1: Introducción al estudio de los metales de transición.
Configuraciones electrónicas y términos atómicos.
Caso carbono. Z = 6.
Conf. electrónica
[C] = 1s22s22p2.
(caso p2)
Tema 1: Introducción al estudio de los metales de transición.
Configuraciones electrónicas y términos atómicos.
Caso carbono. Z = 6. Conf. electrónica
[C] = 1s22s22p2. (caso p2)
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: 1D
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: 3P
valor ML =
0
posibles MS = 0
(2L + 1)(2S + 1) = 1 x 1 = 1
microestado: (0,0) término: 1S
Resumen de términos:
____5___ términos:__1D_
____9___ términos:__3P_
____1___ término: __1S_
_15_ microestados
Tema 1: Introducción al estudio de los metales de transición.
Configuraciones electrónicas y términos atómicos.
Caso carbono. Z = 6. Conf. electrónica
[C] = 1s22s22p2. (caso p2)
Desdoblamiento
de términos R-S:
Tema 1: Introducción al estudio de los metales de transición.
Configuraciones electrónicas y términos atómicos.
Caso nitrógeno. Z = 7.
Conf. electrónica
[N] = 1s22s22p3. (caso p3)
Tema 1: Introducción al estudio de los metales de transición.
Configuraciones electrónicas y términos atómicos.
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 = 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: 2D
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: 2P
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: 4S
Resumen: 10 términos 2D, 6 términos 2P y 4 términos 4S.
Tema 1: Introducción al estudio de los metales de transición.
Configuraciones electrónicas y términos atómicos.
Caso nitrógeno. Z = 7. Conf. electrónica
[N] = 1s22s22p3. (caso p3)
Desdoblamiento
de términos R-S:
Tema 1: Introducción al estudio de los metales de transición.
Configuraciones
electrónicas y
términos
atómicos.
Sistema pp