Teoría del campo de cristal

Un compuesto de coordinación consta de un átomo o ion metálico en el centro, rodeado por varios iones con carga opuesta o moléculas neutras. Una conexión coordinada conecta estos iones o moléculas con el átomo o ion metálico. Cuando se disuelven en agua, no se disocian en iones simples.

Teoría del campo de cristal

H. Bethe y V. Bleck propusieron la teoría del campo cristalino (CFT). Esta teoría describe los enlaces, las características, los espectros electrónicos y el magnetismo de los complejos metálicos con mayor detalle.

La división del campo cristalino es la conversión de cinco orbitales d degenerados de un ion metálico en diferentes conjuntos de orbitales con energías variables en presencia de un campo cristalino de ligandos. La teoría del campo cristalino se basa en la división de los campos cristalinos.

Postulados de la Teoría del Campo Cristalino

1. Según la teoría del campo cristalino, el ion metálico está rodeado por un campo eléctrico creado por los ligandos.
2. En un complejo, la atracción entre el núcleo metálico y el ligando es únicamente electrostática. El ión metálico es el objetivo del extremo negativo del dipolo del ligando de la molécula neutra.
3. El metal o ion de transición es un ion positivo con la misma carga que el estado de oxidación.
4. Un número específico de ligandos rodean el átomo o ion del metal de transición, que pueden ser iones negativos o moléculas neutras con pares de electrones solitarios.
5. Los ligandos actúan como cargas puntuales que generan un campo eléctrico. Este campo eléctrico cambia la energía de los orbitales en el átomo o iones metálicos.
6. Los electrones del ion metálico central ocupan los orbitales d lo más lejos posible de la dirección de aproximación del ligando debido a la atracción repulsiva entre el ion metálico central y el ligando.
7. El orbital metálico y el orbital ligando no tienen interacción.
8. Todos los orbitales tienen la misma energía en un átomo o ión metálico aislado, es decir, los cinco orbitales d (d _xy , d _xz , d _yz , d _{x ² –y ²} y d _{z ²} ) están degenerados.
9. Los orbitales d permanecen degenerados cuando el átomo o ion metálico del núcleo está rodeado por un campo esféricamente simétrico de cargas negativas. Sin embargo, la repulsión entre el campo y el electrón sobre el átomo o ion metálico aumenta la energía de los orbitales.
10. Los orbitales d están influenciados de manera diferente en la mayoría de los complejos de metales de transición y su degeneración se pierde debido al campo producido por el ligando asimétrico.

Serie espectroquímica

El tipo de ligando determina la división del campo cristalino. Los ligandos de campo débil son ligandos que causan solo una pequeña división del campo cristalino. Los ligandos de campo fuerte son ligandos que generan una alta división del campo cristalino.

La serie espectroquímica es la agrupación de ligandos comunes en orden ascendente de división del campo cristalino (Δ). En orden creciente de división del campo cristalino, la serie espectroquímica es:

I ^– <Br ^– <S ^2– <Cl ^– <NO ^– ₃ <F ^– <OH ^– <EtOH ^– <C ₂ O ^2– ₄ <H ₂ O<<EDTA<NH ₃ <Py<Etilendiamina<dipiridilo<0 –fenantrolina<

NO ^– ₂ <CN- ^< CO

Teoría del campo cristalino para complejos octaédricos

El ligando está representado por cargas negativas modestas en el ion complejo octaédrico, mientras que el ion metálico está representado por un cambio positivo.

• La repulsión entre los ligandos y los orbitales d ocurre en los complejos octaédricos cuando los ligandos se acercan a los iones metálicos, elevando su energía en relación con el ion libre. Los ligandos repelen los orbitales d _{x ² –y ²} y d _{z ²} con más fuerza que los tres orbitales d restantes, d _xy , d _xz y d _yz .
• Como resultado, las energías de los orbitales d _xy , d _xz y d _yz son más bajas que las energías de los orbitales d _{x ² –y ²} y d _{z ²} .
• _{Los orbitales d xy} , d _xz y d _yz de menor energía se conocen como orbitales t _2g , mientras que los orbitales d _{x ² –y ²} ,d _{z ²} de mayor energía se conocen como orbitales e _g .
• La energía de división del campo cristalino o la energía de estabilización del campo cristalino es la diferencia de energía entre los dos conjuntos de orbitales d (CFSE). Se denota con la letra Δ _O , que representa el complejo octaédrico.
• Los orbitales e _g tienen un nivel de energía de +0,6 Δ ₀ o 3/5 Δ ₀ por encima del promedio, mientras que los orbitales t _2g tienen un nivel de energía de –0,4 Δ ₀ o –2/5 Δ ₀ por debajo del promedio.

• Los ligandos de campo fuerte tienen un valor alto de Δ0 _y son complejos de espín bajo en complejos octaédricos. [Fe(CN) ₆ ] ^4– y [Co(NH ₃ ) ₆ ] ³⁺ son dos ejemplos. 
• Los ligandos de campo débil son complejos de espín alto con un valor de Δ0 _bajo .

Teoría del campo cristalino para complejos tetraédricos

• Los complejos tetraédricos tienen un patrón de división que es el polo opuesto de los complejos octaédricos. Los orbitales d _{x ² –y ²} y d _{z ²} en los complejos tetraédricos tienen menor energía que los orbitales d _xy , d _xz y d _yz .
• Δt(Δt=49 Δ ₀ ) es la diferencia de energía entre dos niveles de energía. Los electrones no se emparejan debido a la estrecha brecha de energía. Como resultado, los complejos tetraédricos tienen una estructura de alto espín.

Energía de estabilización del campo de cristal

La energía de división del campo de cristal o la energía de estabilización del campo de cristal es la diferencia de energía entre los dos conjuntos de orbitales d (CFSE). Se denota con el símbolo Δ.

Factores que afectan la magnitud de la energía de división orbital (Δ)

1. Cuanto mayor sea el valor de la energía de división orbital, mayor será el estado de oxidación del ion central.
2. El valor Δ de los elementos del bloque d (transición) crece de 3d a 4d a 5d. Como resultado, es más probable que los elementos de la segunda (4d) y tercera (5d) serie de transición formen complejos de espín bajo que los de la primera (3d) serie de transición.
3. El valor Δ de la entidad coordinadora ayuda en la clasificación de los complejos. El complejo tetraédrico tiene un valor que es aproximadamente la mitad del complejo octaédrico.

Limitaciones de la teoría del campo cristalino

La teoría del campo cristalino fue capaz de describir satisfactoriamente la síntesis, la estructura, las propiedades ópticas y magnéticas del compuesto de coordinación. Sin embargo, la hipótesis del campo cristalino no pudo explicar los siguientes factores.

1. El enlace covalente se encuentra en algunos complejos de metales de transición.
2. En la serie espectroquímica, el orden de los ligandos. Debido a que los ligandos son cargas puntuales, los ligandos aniónicos deberían tener un efecto de división más fuerte. Los ligandos aniónicos, por otro lado, están en la parte inferior de la serie espectroquímica.

Ejemplos de preguntas

Pregunta 1: ¿Qué es la teoría del campo cristalino?

Responder:

La división del campo cristalino es la conversión de cinco orbitales d degenerados de un ion metálico en diferentes conjuntos de orbitales con energías variables en presencia de un campo cristalino de ligandos. La teoría del campo cristalino se basa en la división de los campos cristalinos.

Pregunta 2: ¿Cuáles son las principales características de la teoría del campo cristalino?

Responder:

Según la teoría del campo cristalino, el ion metálico está rodeado por un campo eléctrico creado por los ligandos. En un complejo, la atracción entre el núcleo metálico y el ligando es únicamente electrostática. El ión metálico es el objetivo del extremo negativo del dipolo del ligando de la molécula neutra. El metal o ion de transición es un ion positivo con la misma carga que el estado de oxidación. Un número específico de ligandos rodean el átomo o ion del metal de transición, que pueden ser iones negativos o moléculas neutras con pares de electrones solitarios.

Los ligandos actúan como cargas puntuales que generan un campo eléctrico. Este campo eléctrico cambia la energía de los orbitales en el átomo o iones metálicos. Los electrones del ion metálico central ocupan los orbitales d lo más lejos posible de la dirección de aproximación del ligando debido a la atracción repulsiva entre el ion metálico central y el ligando.

Pregunta 3: ¿Cuáles son los factores que afectan la división del campo cristalino?

Responder:

La división del campo cristalino se ve afectada por el tipo de ligando y el estado de oxidación del átomo central. Cuanto mayor sea el valor de la energía de división orbital, mayor será el estado de oxidación del ion central. Varios ligandos tienen diferentes magnitudes de división para el mismo ion metálico.

Pregunta 4: ¿Cómo usar la teoría del campo cristalino?

Responder:

Las características de enlace, los espectros electrónicos y el magnetismo de los complejos metálicos se explican mediante la teoría del campo cristalino. Los ligandos de campo fuerte tienen un valor alto de Δ0 _y son complejos de espín bajo en complejos octaédricos. Los ligandos de campo débil son complejos de espín alto con un valor de Δ0 _bajo .

Pregunta 5: ¿Qué es la energía de estabilización del campo cristalino?

Responder:

La diferencia de energía entre los dos conjuntos de orbitales d se conoce como energía de división del campo cristalino o energía de estabilización del campo cristalino (CFSE). Se representa con el símbolo Δ.

Pregunta 6: ¿Cuáles son las limitaciones de la teoría del campo cristalino?

Responder:

La síntesis, la estructura, las propiedades ópticas y magnéticas del compuesto de coordinación fueron descritas satisfactoriamente por la teoría del campo cristalino. La hipótesis del campo cristalino, por otro lado, no tuvo en cuenta los siguientes factores.

1. Algunos compuestos de metales de transición tienen enlaces covalentes.
2. El orden de los ligandos en la serie espectroquímica. Los ligandos aniónicos deberían tener un mayor impacto de división porque son cargas puntuales. Los ligandos aniónicos, por otro lado, se encuentran en la parte inferior de la jerarquía espectroquímica.