ENSEÑANZA DE LA FÍSICA Y LA QUÍMICA

Complejos del Hierro (Primera parte)

Los compuestos de coordinación del Fe(II) y Fe(III), son muy conocidos, pues quizá fueran los primeros complejos empleado comercialmente, que dieron lugar a nombres de otros compuestos químicos como el ácido prúsico, azul de prusia etc [1] , y por otra parte son indispensables para la vida humana, porque gracias a ellos se puede transportar el oxígeno a los diferentes tejidos [2] .

El Fe(III), dispone sus 5 electrones desapareados, en los 5 orbitales atómicos d, con la máxima multiplicidad de espín, mientras que el Fe(II), surgiría con un par de electrones en un orbital d y cuatro mas, sin pareja.

Fig.1

Si los ligandos son de campo débil, provocan un pequeño desdoblamiento, el complejo será de alto espín , como ocurre con el agua, o los halógenos (F, Cl).Sin embargo con ligandos de campo fuerte, esto es aquellos ligandos que interaccionan fuertemente con el elemento central, estos electrones se agrupan en los 3 orbitales de menor energía (t_2g), quedando un electrón sin pareja, en el caso del Fe(III) (fig.1) . El desdoblamiento de estos grupos de orbitales atómicos t_2g y e_g, en función de la interacción con los ligandos, grupos con pares de electrones solitarios, permite saltos electrónicos por absorción de energía luminosa en el espectro visible, que provoca que el compuesto  tome colores complementarios espectaculares, muy apropiados para ser visionados en  foto digital. Los complejos del hierro, siempre tienen estructura octaédrica [3] , con 6 puntos de coordinación.

 

La serie espectroquímica de Tsuchida, clasifica los ligandos por su interacción con los iones centrales, en este caso el Fe(III), sería  I^- <Br^-<Cl^-<F^-< R-OH< H₂O< NCS^-<NH₃<CN^-

Cuanto mayor sea la interacción con los orbitales d, según su orientación espacial, será mayor el desdoblamiento entre niveles, y por lo tanto, mayor será la diferencia energética  ), mayor la frecuencia L de la radiación absorbida, menor su longitud de onda 8. En función de eso la radiación  absorbida,  los colores que se observan vienen dados en la tabla 1.

Tabla 1

Sin embargo mientras los complejos de alto espín del hierro(III), son incoloros, o con colores pálidos, los que forma con ligandos de campo fuerte como el tiocianato o el cianuro, dan lugar a colores muy intensos. Ello es debido a otro efecto que se superpone con el anterior. Existe una transferencia de carga del ligando, al ion central, Fe(III), con captura de un electrón por parte de éste y reducción a Fe(II). Este hecho es el que hace que los colores sean especialmente vistosos.

 

Para nuestra seccción tomaremos nitrato de hierro(III) cristalizado  disolviéndolo en una gota de agua, con una coloración ligeramente amarilla, debido a la hidrólisis del complejo

El proceso en la química a la gota es como aparece en las fotos de las figuras 2 y 3.

Fig.2

Fig.3

La adición de ácido nítrico desplaza el equilibrio hacia la izquierda, apareciendo incoloro, según el  proceso:

Fig.4

Fig.5

Si se agrega NaCl(s), otra vez amarillea, por sustición de un ligando H₂O por cloro. La adición de ortofosfato, hace desparecer el color, por sustitución del ligando Cl por dihidrógeno ortofosfato.

Si  agregamos  NaOH 6N, aparece un precipitado marrón de hidróxido de hierro(III) que se disuelve al agregar otra vez ácido nítrico concentrado, según los procesos:

Los ensayos a la gota, se reproduce en las fotografías de las figuras 6, 7 ,8 y 9

Fig.6

Fig.7

Fig.8

Fig.9

Como se aprecia en la fig 9, la adición de ácido nítrico concentrado, no sólo disuelve el precipitado, sino que produce un proceso redox con el agua, con desprendimiento de gases, ya de NO₂ y N₂O₄, ya de O₂ .

 

Si se agrega tiocianato potásico, se sustituye un ligando acuo por tiocianato, produciéndose una intensa coloración roja (“sangre de toro”), debido a una banda de absorción entre 445 y 450nm [4] .

Las fotografías del proceso se dan en las figuras 10 , 11 y 12 (detalle).

Fig.10

Fig.11

Fig.12

Sin embargo este complejo coloreado  se puede volver incoloro tratándolo con NaF, ya que se sustituye el ligando SCN^- pasando a otro tipo de complejo (complejo de alto espín), ya que el F^-, como se observa en la serie espectroquímica, es un ligando de campo débil, que casi no desdobla los niveles.

 

 

Las fotografías del proceso se dan en las figuras 13 y 14

 

Fig.13

Fig.14