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Tema 1: Introducción al estudio de los metales de transición.
Curso de Química Inorgánica II.
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Tema 1: Introducción al estudio de los metales de transición.
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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)
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El asunto de las configuraciones electrónicas.
a) Efecto de penetración:
Parte radial de la función de onda.
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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.
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El asunto de las configuraciones electrónicas.
Es necesario considerar el cuadrado de las funciones de onda orbitales.
Ejemplo: caso 2s, 2p:
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El asunto de las configuraciones electrónicas.
Es necesario considerar el cuadrado de las funciones de onda orbitales.
Ejemplo: caso 3s, 3p, 3d:
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El asunto de las configuraciones electrónicas.
b) Efecto de apantallamiento:
Es necesario considerar el efecto de las capas internas.
Cálculo de la carga nuclear efectivapor el método de Slater.
++++++ +++
Z* = Z - A
Z* = Carga nuclear efectiva.Z = Carga nuclear real.
A = Constante de Slater.
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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 estamosconsiderando, no contribuyen a la constante de apantallamiento.
3.- Los electrones en el grupo (ns, np) contribuyen con 0.35 cadauno a la constante de apantallamiento.
Caso 1.El electrón que estamos considerando está en un orbital s o p.
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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 0.30al 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 constantede apantallamiento.
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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:
2
2
22
24e
2
n*eVZ6.13
hn*Zem2
E−
=π
−=
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El asunto de las configuraciones electrónicas.
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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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Tema 1: Introducción al 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
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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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Tema 1: Introducción al 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
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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
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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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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.
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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. ns2np6
grupos 1, 2 y 3 Na+ Mg2+ Al3+
grupos 15, 16 y 17 N3- O2- F-
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♣. 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 que contienen 18 e- en su última capa.
Zn2+ = [Ne]3s23p63d10 = Cu+ = Ga3+ = Ge4+
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♣. Iones f. Iones con la subcapa f parcialmentevacía.
Ejemplo: Gd = [Xe]4f75d16s2 Gd3+ = [Xe]4f7
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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.
♣. Iones d. Iones de configuración ns2np6ndx
( x = 1 a 9).
Ejemplo: Cr2+ Co2+ Fe3+, etc.
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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 (C2 H4 )]-
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Tema 1: Introducción al estudio de los metales de transición.
Características de los metales de transición.
♠. En algunos casos las configuraciones electrónicas noson las esperadas.
♠. Todos son metales y presentan propiedadesmetálicas.
Brillo
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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)
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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 delos compuestos variables.
♠. Compuestos coloreados.
♠. Diferencias en el comportamiento magnético.
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Configuraciones electrónicas y términos atómicos.
Ejemplo: el sistema planetario.
descripción del estado energéticodel sistema
Acoplamiento j-j
Acoplamiento L-S
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Configuraciones electrónicas y términos atómicos.
Acoplamiento j-j. Acoplamiento L-S.
Esquema apropiado paralos átomos livianos.
Esquema apropiado paralos átomos pesados.
Aquí nos limitaremos al estudio de los sistemas suponiendo un acoplamiento L-S (acoplamiento Russell-Saunders).
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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.
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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
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Configuraciones electrónicas y términos atómicos.
Ejemplos:
ML MS microestado(ML , MS )
término R-S sin acoplamiento L-S
se lee
término R-S con acoplamiento L-S
4 1/2 (4, 1/2) 2G doblete G 2G9/2
2 3/2 (2, 3/2) 4D cuartete D
4D7/2
0 1 (0, 1) 3S triplete S 3S1
0 0 (0, 0) 1S singlete S 1S0
♣.- Para cada par (ML, MS), el número de microestados posibles es:
(2L + 1) (2S + 1)
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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 representarorbitales, emplear flechas para la ocupación electrónica talque ↑
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
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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 lasconfiguraciones prohibidas.
prohibida
físicamenteiguales
Nota: solo puede violarse el criterio demáxima multiplicidad de Hund.
♣.- Se escriben todos los pares (ML, MS).
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Tema 1: Introducción al estudio de los metales de transición.
Configuraciones electrónicas y términos atómicos.
♣.- Se escriben los términos R-S sin considerar el acolplamientoL-S. Empezar por el mayor valor de ML considerando todas lasposibilidades 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 términosR-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 microestadoscuando se toma en cuenta la repulsión electrónica,
un acoplamiento L-S débil y en presencia de un campomagnético externo. Para ello considere las reglas de Hund.
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Configuraciones electrónicas y términos atómicos.
Reglas de Hund.
1.- El estado fundamental será siempre el que posea la máximamultiplicidad 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 elvalor de J, siempre que el estado derive de una configuración que corresponde a una capa con un número de electrones menor al necesariopara una capa semi llena. Si la capa involucra un número de electronesmayor que los correspondientes a la capa semi llena el orden de los subestados es el inverso.
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Configuraciones electrónicas y términos atómicos.
Caso carbono. Z = 6. Conf. electrónica [C] = 1s22s22p2.
(caso p2)
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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 = 5microestados: (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 = 9microestados: (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 = 1microestado: (0,0) término: 1S
Resumen de términos: ____5___ términos:__1D_____9___ términos:__3P_ _15_ microestados____1___ término: __1S_
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Configuraciones electrónicas y términos atómicos.
Caso carbono. Z = 6. Conf. electrónica [C] = 1s22s22p2. (caso p2)
Desdoblamiento de términos R-S:
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Configuraciones electrónicas y términos atómicos.
Caso nitrógeno. Z = 7. Conf. electrónica
[N] = 1s22s22p3. (caso p3)
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Configuraciones electrónicas y términos atómicos.
mayor valor L = 2 posibles S = +1/2, -1/2 (2L + 1)(2S + 1) = 5 x 2 = 10microestados: ( 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
Caso nitrógeno. Z = 7. Conf. electrónica [N] = 1s22s22p3. (caso p3)
valor L = 1 posibles S = +1/2, -1/2 (2L + 1)(2S + 1) = 3 x 2 = 6microestados: ( 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 = 4microestado: ( 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.
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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:
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Tema 1: Introducción al estudio de los metales de transición.
Configuracioneselectrónicas y
términos atómicos.
Sistema pp