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Enlace en compuestos de coordinación (Teoría del enlace de valencia y teoría del campo cristalino)
Los compuestos de coordinación son entidades complejas que son esenciales en la química debido a su amplia gama de aplicaciones en diversos campos. Comprender el enlace en estos compuestos es la clave para entender cómo funcionan e interactúan. Dos teorías principales ayudan a explicar el enlace en compuestos de coordinación: la teoría del enlace de valencia (VBT) y la teoría del campo cristalino (CFT).
Introducción a los compuestos de coordinación
Los compuestos de coordinación, también llamados compuestos complejos, contienen un átomo o ion metálico central rodeado de moléculas o aniones llamados ligandos. Estos compuestos se destacan por su capacidad para formar iones complejos que muestran un comportamiento químico único.
Conceptos básicos
- Ligando: Una molécula o ion que dona un par de electrones a un átomo o ion metálico.
- Número de coordinación: El número de átomos donantes de ligando unidos al átomo/ión metálico central.
- Esfera de coordinación: Consiste en el átomo/ión metálico central y los ligandos unidos.
Por ejemplo, en el compuesto de coordinación [Fe(CN)6]3−, el hierro (Fe) actúa como el átomo metálico central, mientras que los iones de cianuro (CN−) actúan como ligandos.
Teoría del enlace de valencia (VBT)
La teoría del enlace de valencia (VBT) es una forma de explicar cómo los átomos se combinan para formar compuestos de coordinación. La VBT utiliza el concepto de hibridación y enlaces covalentes para describir la formación de iones complejos.
Conceptos clave de la VBT
- Hibridación: Mezcla de orbitales atómicos para formar nuevos orbitales que son adecuados para formar enlaces mediante el emparejamiento de electrones.
- Superposición de orbitales atómicos: Los enlaces covalentes se forman cuando los orbitales atómicos de los ligandos se superponen con los orbitales del ion metálico central.
Ejemplo: Considere el compuesto de coordinación [Ni(CN)4]2− El níquel está en el estado de oxidación +2 con la configuración electrónica [Ar] 3d8 4s0 Para formar el complejo tetraédrico, los orbitales 3d se hibridan con los orbitales 4s y 4p para formar orbitales híbridos sp3. Cada ligando CN− dona un par de electrones para formar un enlace covalente coordinado con el níquel.
[Ni(CN)4]2− Orbitales involucrados: - 3d 4s 4p ↑↑↑↑ Hibridación: - sp3 Hibridado - Forma Tetraédrica
Uso de la VBT para el enlace
La VBT explica la geometría de los complejos tanto tetraédricos como octaédricos a través de la hibridación. Describe con éxito las estructuras locales y los tipos de enlace, pero no logra explicar las propiedades de color y magnéticas de los compuestos de coordinación.
Formas geométricas
La teoría del enlace de valencia describe las formas de los compuestos de coordinación basándose en el tipo de hibridación:
- Hibridación sp3: resulta en una geometría tetraédrica. Un ejemplo es
[Ni(CN)4]2− - Hibridación d2sp3 o sp3d2: Conduce a una geometría octaédrica, como se ve en
[Fe(CN)6]4−
Teoría del campo cristalino (CFT)
La teoría del campo cristalino (CFT) aborda el enlace en compuestos de coordinación centrándose en las interacciones electrostáticas entre el ligando y el ion metálico. Describe cómo los niveles de energía de los orbitales d se ven afectados por los campos eléctricos creados por los ligandos circundantes.
Conceptos básicos de la CFT
La CFT proporciona información sobre varios aspectos, notablemente:
- Desdoblamiento de orbitales d: La presencia de ligandos causa distorsión de los orbitales d en el ion metálico central, resultando en un desdoblamiento de los niveles de energía.
- Energía de estabilización del campo cristalino (CFSE): La estabilización resultante de la distribución particular de electrones en los orbitales d desdoblados.
- Color y magnetismo: La CFT basada en transiciones electrónicas entre orbitales d desdoblados explica por qué algunos complejos son coloreados y otros no.
Explicación detallada de la CFT
Cuando los ligandos se acercan a un ion metálico central, crean un campo eléctrico que afecta los orbitales d degenerados. En una coordinación octaédrica, los orbitales d se dividen en dos grupos:
- Conjunto t2g: Conjunto de baja energía que contiene tres orbitales (dxy, dyz, dzx).
- Conjunto e: Conjunto de alta energía que contiene dos orbitales (dx2-y2, dz2).
Desdoblamiento de Orbitales d para Complejo Octaédrico: t2g eg ↓ ↑ ↓ ↑ ↓ ↑ Niveles de energía no degenerados (divididos)
La diferencia en energía entre los orbitales t2g y eg en complejos octaédricos se representa como Δo (energía de desdoblamiento del campo cristalino). Dependiendo de la magnitud de Δo y la energía de emparejamiento de electrones, los electrones pueden emparejarse en los orbitales t2g inferiores u ocupar los orbitales eg, conduciendo a configuraciones de alto o bajo espín.
Complejos de alto y bajo espín
- Complejos de alto espín: ocurren cuando la energía de emparejamiento es mayor que
Δo, resultando en electrones desapareados en los orbitales eg. - Complejos de bajo espín: ocurren cuando
Δoes mayor o igual a la energía de emparejamiento, llevando al emparejamiento de electrones en el conjunto t2g inferior.
Por ejemplo, en [Fe(H2O)6]3+, el patrón de desdoblamiento ayuda a determinar si el complejo es de alto o bajo espín al examinar cómo los electrones llenan los orbitales d desdoblados.
Factores que afectan el desdoblamiento del campo cristalino
Varios factores afectan la energía de desdoblamiento del campo cristalino:
- Naturaleza del ligando: Los ligandos pueden clasificarse como de campo fuerte o débil, lo que afecta la magnitud del desdoblamiento.
- Estado de oxidación del metal: Los estados de oxidación más altos generalmente aumentan la energía de desdoblamiento.
- Geometría del complejo: Diferentes formas (octaédrica vs. tetraédrica) resultan en diferentes patrones de desdoblamiento.
Ligandos de campo fuerte frente a campo débil
Los ligandos se clasifican en la serie espectroquímica según su capacidad para dividir los orbitales d. Los ligandos de campo fuerte son más propensos a generar configuraciones de bajo espín debido a mayores energías de desdoblamiento, mientras que los ligandos de campo débil generalmente generan configuraciones de alto espín.
La serie espectroquímica ordena los ligandos de campo débil a campo fuerte de la siguiente manera:
I− < Br− < S2− < SCN− < Cl− < F− < OH− < C2− O2−4 < H2O < NCS− < piridina < NH3 < en < NO2− < (CH3)2 NH < dipy < fen < CN− < CO
Magnetismo y color en la CFT
La disposición de los electrones d en un entorno con niveles de energía divididos da lugar a varias propiedades observables:
- Magnetismo: se determina por la presencia de electrones desapareados. Los materiales paramagnéticos tienen electrones desapareados, mientras que los materiales diamagnéticos tienen todos los electrones emparejados.
- Color: Resulta de las transiciones electrónicas d-d entre orbitales divididos, que absorben longitudes de onda específicas de luz, impartiendo color al compuesto.
Comparación: VBT vs CFT
Aunque ambas teorías tienen como objetivo explicar la naturaleza de los enlaces en compuestos de coordinación, lo hacen de manera diferente:
| Aspecto | Teoría del enlace de valencia | Teoría del campo cristalino |
|---|---|---|
| Base | Hibridación y superposición de orbitales | Interacciones electrostáticas y desdoblamiento de orbitales d |
| Centro | Formación de enlaces localizados en el centro | Cambio en el nivel de energía de los orbitales d |
| Geometría | Describe la forma a través de la hibridación | Enfoque en transiciones electrónicas y energía |
| Magnetismo | Limitado; explica el paramagnetismo básico | Explica el magnetismo a través de la configuración electrónica |
| Color | No aborda adecuadamente los incidentes relacionados con el color | Interpretación del color a través de transiciones d-d |
Conclusión
En última instancia, es necesario usar tanto la teoría del enlace de valencia como la teoría del campo cristalino para comprender el enlace en compuestos de coordinación. La VBT proporciona conocimientos sobre la geometría y la formación de enlaces covalentes, mientras que la CFT proporciona explicaciones detalladas sobre propiedades electrónicas, magnetismo y fenómenos de color. Juntas, estas teorías permiten a los químicos predecir y analizar el comportamiento y las características de entidades complejas de coordinación en diversos entornos químicos.
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