- Primero trataremos la definición de iones de metales de transición en solución acuosa.
- Veremos cómo actúa el agua como ligando de los iones de metales de transición .
- Acontinuación, veremos la formación de iones complejos y eldesdoblamiento de los orbitales d por los ligandos.
- Por último, descubriremos por qué los iones complejos se colorean en las disoluciones.
Iones de metales de transición en solución acuosa
En primer lugar, analizaremos la naturaleza de los iones metálicos en solución y, lo que es más importante, cómo forman iones complejos.
Los iones complejos se forman a partir deligandos (donantes de electrones de par solitario) que se enlazan con iones de metales de transición en solución.
Los metales de transición son metales del bloque d de la tabla periódica. Se definen por sus configuraciones electrónicas irregulares. Su elevada densidad de carga cuando están en su forma iónica, unida a su pequeño tamaño, les confiere interesantes propiedades en el agua.
Pueden formar iones complejos en disolución, debido a que el agua puede actuar como ligando. Los iones metálicos de transición siempre formarán iones complejos cuando estén en solución con ligandos. Un ligando puede ser cualquier molécula o disolvente que pueda donar un par solitario de electrones, incluidas las bases y los nucleófilos. Los ligandos son capaces de estabilizar el ion metálico en el agua mediante esta interacción de enlace de pares solitarios. Esta estabilización es necesaria para estabilizar la carga positiva en un medio acuoso.
Aquí hablaremos específicamente de los iones metálicos de transición en soluciones acuosas y veremos cómo se comportan en entornos acuosos.
Identificación de iones de metales de transición en soluciones acuosas
Hay tres partes clave de un ion complejo que debes identificar. Son el metal de transición, los ligandos y la geometría del ion complejo.
Observarás que los ligandos siempre rodean al ion de metal de transición de una forma geométrica determinada. En medios acuosos, el agua suele rodear a un ion metálico de transición con una geometría octaédrica, ya que habrá seis sustituyentes alrededor del ion metálico central.
Además de lo anterior, el ion hidróxido también es una base, que es el ligando perfecto para donar pares solitarios, como ya se ha comentado.
El enlace que se produce entre el ion del metal de transición y un par solitario de electrones se denomina enlace covalente dativo. Esto se debe a que los dos electrones compartidos del enlace los proporciona el mismo átomo, en este caso el ligando.
He aquí un esquema de seis moléculas de agua que rodean a un ion de metal de transición en solución acuosa.
Fig. 1 - Esquema de los ligandos de agua que rodean a un ion metálico central en una geometría octaédrica
¿Te das cuenta de que la carga global del ion no está sólo en el ion central del metal de transición, sino que se distribuye por todo el ion complejo? Se escribe fuera de los paréntesis para indicar que los ligandos asumen parte de la carga y la estabilizan.
Otros tipos de iones complejos
Pueden surgir otros complejos de iones de metales de transición que tienen una geometría y una carga diferentes. He aquí algunos ejemplos comunes:
[M(H2O)6]2+, donde M sólo puede ser Fe y Cu
[M(H2O)6]3+, donde M sólo puede ser Fe y Al
Una cosa clave que hay que recordar es que la acidez de los iones metálicos cambiará en función de la carga. La acidez de [M( H2O)6]3+ es mayor que la de [M(H2O)6]2+. Esto puede atribuirse a las relaciones de carga y tamaño del ion metálico de transición, que en última instancia determinan las propiedades físicas del ion complejo formado.
Además,algunos hidróxidos metálicos muestran carácter anfótero al disolverse tanto en ácidos como en bases. Por ejemplo, el ion metálico de aluminio Al3+.
Ejemplo de ion de metal de transición en solución acuosa
A continuación encontrarás un ejemplo común de ion complejo. El sulfato de cobre forma una solución azul claro en el agua. Esto se debe a que los iones de cobre con carga 2+ son quelados por el ligando, en este caso el agua, para producir un ion complejo.
El atrapamiento de iones metálicos por ligandos mediante enlaces covalentes dativos suele denominarse quelación.
En el diagrama siguiente, puedes ver cómo seis moléculas de agua donan sus pares solitarios de electrones al ion central de cobre para producir un ion complejo en disolución.
Loscristales de sulfato de cobre, cuando no están disueltos en agua, también suelen ser de color azul. Esto se debe a que tienen agua en su estructura cristalina (de ahí el nombre de sulfato de cobre pentahidratado), que produce el mismo tipo de ligandos y puede quelar el ion cobre para producir el hermoso color azul que se observa.
Fig. 2 - Ión cobre en solución acuosa
Estabilidad de los iones de metales de transición en soluciones acuosas
Debido a que el ion del metal de transición tiene un radio iónico muy pequeño pero una carga tan elevada, es necesario estabilizar termodinámicamente esta fuerza dentro del sistema, que en este caso es el medio acuoso.
Los ligandos estabilizan el ion de metal de transición de muchas maneras, permitiendo que el ion de metal de transición esté presente en soluciones acuosas. En primer lugar, los ligandos asumen la carga positiva y la distribuyen entre ellos.
Esto se verá en la última sección de este artículo - Método para iones de metales de transición en solución acuosa.
La carga se reparte entre todo el ion complejo, estabilizándolo así en una solución acuosa.
En segundo lugar, los ligandos son capaces de estabilizar los orbitales del ion de metal de transición. Ésta es una propiedad clave que resulta crucial para los elementos del bloque 3d. Los orbitales de los metales de transición requieren estabilización debido a su disposición electrónica, ya que los orbitales del bloque d se encuentran en el mismo nivel de energía.
Al producirse el enlace covalente dativo con los ligandos, los orbitales d del metal de transición se dividen en dos niveles de energía. El diagrama siguiente muestra la división de los orbitales.
Fig. 3 - Desdoblamiento del orbital d por los ligandos
Esto permite la estabilización directa de los orbitales de los metales de transición a través de los ligandos. Los cinco orbitales se dividen en dos de estado energético superior y tres de estado energético inferior. Éste es el caso de los complejos octaédricos. Esto da lugar a una configuración octaédrica estable de los ligandos en solución para producir un ion complejo de metal de transición estable en un medio acuoso.
El desdoblamiento de los orbitales d no sólo consigue estabilizar los orbitales y justificar termodinámicamente los orbitales en un entorno acuoso, sino que también confiere propiedades muy interesantes al ion complejo que se analizarán en el siguiente apartado.
Colores de los iones de metales de transición en soluciones acuosas
Los iones de metales de transición en agua absorben frecuencias específicas del espectro de luz visible, pero ¿a qué se debe esto? Cuando los orbitales d se separan de los ligandos, se dividen en dos orbitales de mayor energía y tres orbitales de menor energía. Este desplazamiento arbitrario hace que la separación de los niveles de energía sea equivalente a una longitud de onda específica.
En el diagrama de la sección anterior, observarás que la separación de orbitales se denota con un delta E, que significa un cambio de energía. Esta diferencia de energía corresponde a una longitud de onda específica de la luz.
Cuando un electrón se excita mediante radiación electromagnética, pasará a un nivel de energía superior. En el caso de los iones de metales de transición en soluciones acuosas, esto corresponderá a un electrón que salta de los tres orbitales inferiores a los dos orbitales superiores de los orbitales d divididos. Este fenómeno sólo se produce en los elementos del bloque d, ya que tienen un orbital d parcialmente lleno.
Cuando un electrón salta de los niveles energéticos inferiores a los superiores de los orbitales d divididos, absorbe la longitud de onda específica de luz a la que corresponde el hueco energético. Esto significa que si diriges luz blanca hacia el ion complejo, se absorberá una longitud de onda específica y el resto se reflejará. Así, para nosotros, el complejo mostrará el color complementario en la rueda cromática.
¿Cómo sabes qué longitud de onda absorberá ? Pues depende del tipo de ion metálico y de los ligandos que se utilicen para formar el ion complejo. Los distintos ligandos dividen los orbitales d en distintos extremos. Un desdoblamiento menor se corresponderá con una menor necesidad de absorción de energía, por tanto una mayor longitud de onda del espectro electromagnético, mientras que un desdoblamiento mayor requerirá una menor longitud de onda de laluz absorbida para que un electrón salte del estado energético inferior al superior. Todo esto depende del tipo de ion que se disuelva, ya que en las soluciones acuosas, el ligando (agua), será el mismo.
Iones de metales de transición en soluciones acuosas
Aquí encontrarás un diagrama de cómo se forma un ion complejo. Puedes utilizar este diagrama esquemático para esbozar cómo se unen los iones de metales de transición mediante enlaces covalentes dativos con los pares solitarios de electrones de las moléculas de agua en soluciones acuosas, quedando finalmente estabilizados.
Fig. 4 - Esquema de la formación de iones de metales de transición en soluciones acuosas
Iones de metales de transición en solución acuosa - Aspectos clave
- Los iones de metales de transición forman iones complejos en soluciones acuosas.
- El agua actúa como ligando, ya que puede formar enlaces covalentes dativos.
- Los ligandos pueden ser cualquier especie molecular que tenga un par solitario de electrones.
- Los ligandos pueden dividir los orbitales d de los iones metálicos de transición en dos niveles de energía.
- La diferencia de energía entre los orbitales d divididos corresponde a una longitud de onda específica del espectro electromagnético.
- Los electrones absorben la luz y pasan a estados energéticos superiores, dando lugar a un complejo coloreado.
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