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Diagrama de desdoblamiento del campo cristalino (EECC y estado de espín)

En resumen: herramienta de diagramas de desdoblamiento del campo cristalino para complejos octaédricos, tetraédricos, planos cuadrados, de bipirámide trigonal y de pirámide cuadrada. Calcula el número de electrones d, llena t2g y eg (o e y t2) para alto o bajo espín, y da la EECC con la energía de apareamiento, los electrones desapareados, el momento magnético de solo espín, una indicación de Jahn-Teller y una nota sobre el color. Es gratuita, funciona en tu navegador y no requiere descargas.

Elige el ion metálico, la geometría y los ligandos. El diagrama muestra el nivel d del ion libre, los orbitales d desdoblados con sus etiquetas y los electrones como flechas. El resultado explica el estado de espín con la regla de Δ frente a la energía de apareamiento.

Respuesta rápida: [Fe(CN)₆]⁴⁻: el Fe²⁺ es d⁶ y el CN⁻ es de campo fuerte, así que es de bajo espín t2g⁶ eg⁰. EECC = 6 × (−0,4Δo) + 2P = −2,4Δo + 2P, con 0 electrones desapareados (diamagnético). El [CoF₆]³⁻ es de alto espín, con 4 electrones desapareados y μ = √24 = 4,90 BM.

Ejemplos

Los niveles inferiores son de color verde azulado y los superiores rojos. Las energías se dibujan aproximadamente a escala en torno al baricentro (la energía media de los cinco orbitales d); los niveles muy próximos se separan para que sigan siendo legibles. Los valores de Δ son experimentales cuando se conocen y, si no, estimaciones aproximadas.

Cómo usar el diagrama del campo cristalino

  1. Elige el Metal y su Estado de oxidación. La herramienta calcula el número de electrones d: dⁿ = número de grupo − estado de oxidación (Fe²⁺: 8 − 2 = d⁶).
  2. Elige la Geometría y el Ligando. Para complejos mixtos como [Co(NH₃)₅Cl]²⁺, añade un Segundo ligando e indica Cuántos.
  3. Deja Estado de espín en Automático para aplicar la regla de Δ frente a la energía de apareamiento, o fija tú mismo alto o bajo espín.
  4. Lee la configuración, la EECC, los electrones desapareados, el momento magnético, la indicación de Jahn-Teller y la nota sobre el color. Guarda el diagrama con Descargar SVG o Descargar PNG.

La teoría del campo cristalino en resumen

En un ion metálico libre, los cinco orbitales d tienen la misma energía. Los ligandos que se acercan al metal repelen a los electrones d. Los orbitales que apuntan hacia los ligandos suben de energía y los demás bajan, mientras que la energía media (el baricentro) se mantiene. La diferencia de energía es el desdoblamiento del campo cristalino, Δ.

Patrones de desdoblamiento

GeometríaConjunto inferiorConjunto superiorEnergías
Octaédricot2g (dxy, dxz, dyz)eg (dz², dx²−y²)t2g −0,4Δo, eg +0,6Δo (Δo = 10 Dq)
Tetraédricoe (dz², dx²−y²)t2 (dxy, dxz, dyz)e −0,6Δt, t2 +0,4Δt, Δt ≈ 4/9 Δo
Plano cuadradodxz, dyz < dz² < dxydx²−y² (el más alto)−5,14, −4,28, +2,28, +12,28 Dq
Bipirámide trigonale″ (dxz, dyz) < e′ (dxy, dx²−y²)a1′ (dz²)−2,72, −0,82, +7,07 Dq
Pirámide cuadradae (dxz, dyz) < b2 (dxy) < a1 (dz²)b1 (dx²−y²)−4,57, −0,86, +0,86, +9,14 Dq

Serie espectroquímica

I⁻ < Br⁻ < SCN⁻ < Cl⁻ < F⁻ < OH⁻ < C₂O₄²⁻ < H₂O < NCS⁻ < py < NH₃ < en < bipy < phen < NO₂⁻ < PPh₃ < CN⁻ < CO. Los ligandos de la izquierda son de campo débil (Δ pequeño); los de la derecha, de campo fuerte (Δ grande). Δ también aumenta con la carga del metal (M³⁺ > M²⁺) y al bajar en un grupo (5d > 4d > 3d).

Alto espín o bajo espín

Para d⁴ a d⁷ octaédricos, compara Δo con la energía de apareamiento P. Si Δo < P, los electrones se reparten primero: alto espín. Si Δo > P, se aparean en t2g: bajo espín. Los complejos tetraédricos son siempre de alto espín porque Δt es pequeño. Los metales 4d y 5d y los complejos d⁸ planos cuadrados son de bajo espín.

EECC (octaédrica) = (−0,4 × n(t2g) + 0,6 × n(eg)) Δo + m P μ(solo espín) = √(n(n + 2)) BM

Aquí m es el número de pares de electrones formados además de los que ya existen en el ion libre, y n es el número de electrones desapareados. Para complejos tetraédricos, EECC = (−0,6 × n(e) + 0,4 × n(t2)) Δt.

EECC octaédrica de d¹ a d¹⁰

dⁿAlto espínEECC (alto espín)Desapareados (AE)Bajo espín y EECCDesapareados (BE)
d¹t2g¹−0,4Δo1igual que alto espín1
d²t2g²−0,8Δo2igual que alto espín2
d³t2g³−1,2Δo3igual que alto espín3
d⁴t2g³ eg¹−0,6Δo4t2g⁴ eg⁰: −1,6Δo + P2
d⁵t2g³ eg²05t2g⁵ eg⁰: −2,0Δo + 2P1
d⁶t2g⁴ eg²−0,4Δo4t2g⁶ eg⁰: −2,4Δo + 2P0
d⁷t2g⁵ eg²−0,8Δo3t2g⁶ eg¹: −1,8Δo + P1
d⁸t2g⁶ eg²−1,2Δo2igual que alto espín2
d⁹t2g⁶ eg³−0,6Δo1igual que alto espín1
d¹⁰t2g⁶ eg⁴00igual que alto espín0

Distorsión de Jahn-Teller

Un complejo no lineal con un conjunto degenerado ocupado de forma desigual se distorsiona para bajar su energía. El efecto es fuerte cuando eg está ocupado de forma desigual: d⁹ (Cu²⁺), d⁴ de alto espín (Cr²⁺, Mn³⁺) y d⁷ de bajo espín. Los complejos hexacoordinados de Cu²⁺ suelen estar alargados a lo largo de un eje.

Ejemplos resueltos

[Fe(H₂O)₆]²⁺

El Fe²⁺ es d⁶. El agua es de campo débil: Δo ≈ 10 400 cm⁻¹ < P ≈ 17 600 cm⁻¹, así que es de alto espín t2g⁴ eg².

EECC = 4(−0,4) + 2(0,6) = −0,4Δo.

4 desapareados, μ = √24 = 4,90 BM

[Fe(CN)₆]⁴⁻

d⁶ con CN⁻ de campo fuerte: bajo espín t2g⁶ eg⁰. Tres pares frente a uno en el ion libre, así que 2 pares adicionales.

EECC = 6(−0,4)Δo + 2P.

−2,4Δo + 2P, 0 desapareados, diamagnético

[CoF₆]³⁻ frente a [Co(NH₃)₆]³⁺

Ambos son Co³⁺ d⁶. El F⁻ da Δo ≈ 13 000 cm⁻¹ (por debajo de P): alto espín. El NH₃ da Δo ≈ 22 900 cm⁻¹: bajo espín.

[CoF₆]³⁻: 4 desapareados, 4,90 BM. [Co(NH₃)₆]³⁺: 0 desapareados

[Ni(CN)₄]²⁻ frente a [NiCl₄]²⁻

Ambos son Ni²⁺ d⁸. El CN⁻ da una geometría plana cuadrada, con dx²−y² vacío. El Cl⁻ da una geometría tetraédrica e⁴ t2⁴.

[Ni(CN)₄]²⁻ diamagnético; [NiCl₄]²⁻ 2 desapareados, 2,83 BM, EECC −0,8Δt

[Cu(H₂O)₆]²⁺

d⁹: t2g⁶ eg³. El conjunto eg está ocupado de forma desigual.

EECC = 6(−0,4) + 3(0,6) = −0,6Δo.

1 desapareado, 1,73 BM, fuerte alargamiento de Jahn-Teller

Color del [Ti(H₂O)₆]³⁺

d¹ con Δo = 20 300 cm⁻¹. λ = 10⁷ / 20 300 = 493 nm, así que se absorbe luz verde-amarilla.

EECC = −0,4Δo = −0,4 × 243 kJ/mol = −97 kJ/mol.

La disolución se ve morada

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Preguntas frecuentes

¿Cuál es la EECC del [Fe(CN)₆]⁴⁻?

El Fe²⁺ es d⁶ y el CN⁻ es de campo fuerte, así que el complejo es de bajo espín t2g⁶ eg⁰. EECC = 6 × (−0,4Δo) + 2P = −2,4Δo + 2P, con 0 electrones desapareados.

¿Cómo sé si un complejo es de alto o de bajo espín?

Compara Δo con la energía de apareamiento P. Los ligandos de campo débil como H₂O, F⁻ y Cl⁻ suelen dar alto espín; los de campo fuerte como CN⁻ y CO dan bajo espín. Los complejos tetraédricos son siempre de alto espín, y los metales 4d y 5d son de bajo espín.

¿Por qué el [CoF₆]³⁻ es de alto espín y el [Co(NH₃)₆]³⁺ de bajo espín?

Ambos contienen Co³⁺ (d⁶). El F⁻ es un ligando de campo débil, así que Δo (unos 13 000 cm⁻¹) queda por debajo de la energía de apareamiento: 4 electrones desapareados y μ = 4,90 BM. El NH₃ da un Δo de unos 22 900 cm⁻¹, así que los seis electrones se aparean en t2g.

¿Cómo se calcula el momento magnético de solo espín?

Usa μ = √(n(n + 2)) BM, donde n es el número de electrones desapareados. n = 1 da 1,73 BM, 2 da 2,83, 3 da 3,87, 4 da 4,90 y 5 da 5,92 BM.

¿Por qué el [Ni(CN)₄]²⁻ es plano cuadrado y diamagnético?

El Ni²⁺ es d⁸. Con el CN⁻ de campo fuerte, la disposición plana cuadrada deja vacío el orbital dx²−y², de energía muy alta, así que los ocho electrones se aparean en los cuatro orbitales inferiores. El [NiCl₄]²⁻ es tetraédrico con 2 electrones desapareados.

¿Qué complejos presentan distorsión de Jahn-Teller?

Se produce una distorsión de Jahn-Teller fuerte cuando el conjunto eg está ocupado de forma desigual en un complejo octaédrico: d⁹ (Cu²⁺), d⁴ de alto espín (Cr²⁺, Mn³⁺) y d⁷ de bajo espín (Co²⁺ con ligandos fuertes).

¿Qué relación hay entre el color de un complejo y Δo?

El complejo absorbe luz de energía Δo, así que λ (nm) ≈ 10⁷ / Δo (cm⁻¹). El [Ti(H₂O)₆]³⁺ tiene Δo = 20 300 cm⁻¹, absorbe cerca de 493 nm y se ve morado, el color complementario.

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