Glosario de química
Orbital d
El orbital d es una región del espacio donde es probable encontrar electrones en átomos con niveles de energía elevados.
Definición del orbital d
Un orbital d es un orbital atómico cuyo número cuántico secundario (azimutal) vale l = 2. Por las reglas de la mecánica cuántica, los orbitales d aparecen a partir del nivel principal n = 3 y hay cinco orbitales d por nivel.
Cada orbital d puede albergar hasta 2 electrones (con espines opuestos), por lo que el subnivel d completo contiene un máximo de 10 electrones.
Geometría y formas de los orbitales d
Los cinco orbitales d tienen formas más complejas que los s (esféricos) o los p (en forma de pesa de gimnasio). Se nombran según los planos espaciales en los que se orientan sus lóbulos:
- d_xy: cuatro lóbulos en el plano XY, entre los ejes X e Y.
- d_xz: cuatro lóbulos en el plano XZ, entre los ejes X y Z.
- d_yz: cuatro lóbulos en el plano YZ, entre los ejes Y y Z.
- d_x²−y²: cuatro lóbulos en el plano XY, sobre los ejes X e Y.
- d_z²: dos lóbulos sobre el eje Z y un anillo en el plano XY (forma de «donut»).
Tres de ellos (d_xy, d_xz, d_yz) se llaman t₂g en teoría de campos cristalinos; los otros dos (d_x²−y², d_z²) se llaman eg. Esta clasificación es clave para entender el color y el magnetismo de los compuestos de coordinación.
Energía y orden de llenado
En un átomo aislado, los cinco orbitales d del mismo nivel tienen la misma energía (son degenerados). En presencia de ligandos (en complejos de coordinación) esa degeneración se rompe, dando lugar al desdoblamiento del campo cristalino.
Según las reglas de Aufbau, los orbitales d se llenan después del subnivel 4s del nivel siguiente, no antes:
- 3d: se llena después de 4s, en los elementos del periodo 4 (del Sc al Zn).
- 4d: se llena después de 5s, en los elementos del periodo 5 (del Y al Cd).
- 5d: se llena después de 6s, en los elementos del periodo 6 (del La/Hf al Hg).
Existen excepciones famosas (Cr, Cu, Mo, Ag, Au, Pd) donde la configuración con d⁵ o d¹⁰ semilleno o lleno es más estable.
Elementos que ocupan orbitales d
Los elementos que llenan los orbitales d constituyen el bloque d de la tabla periódica: los metales de transición (grupos 3 al 12). Esto incluye:
- Periodo 4: Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn.
- Periodo 5: Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd.
- Periodo 6: La, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg.
- Periodo 7: Ac, Rf, Db, Sg, Bh, Hs, Mt, Ds, Rg, Cn.
Estos elementos tienen propiedades únicas debidas a sus electrones d:
- Colores intensos: los electrones d absorben luz visible en transiciones d-d.
- Varios estados de oxidación: la cercanía de energía entre d y s permite múltiples valencias.
- Capacidad catalítica: la disponibilidad de orbitales d vacíos facilita la formación de intermedios de reacción.
- Propiedades magnéticas: muchos compuestos d son paramagnéticos por electrones d desapareados.
Orbital d en compuestos de coordinación
En un compuesto de coordinación (por ejemplo [Cu(NH₃)₄]²⁺), los ligandos donan pares de electrones al metal y rompen la degeneración de los orbitales d. La diferencia de energía entre los dos grupos t₂g y eg (parámetro Δ) determina:
- Color: longitud de onda absorbida = h · c / Δ.
- Magnetismo: complejos de alto y bajo espín.
- Estabilidad: serie espectroquímica de ligandos.
Esta es la base de la teoría del campo cristalino (CFT) y la teoría de orbitales moleculares aplicada a compuestos de coordinación.
Errores frecuentes en exámenes
- Decir que hay 3 orbitales d (como los p): hay cinco orbitales d por nivel, no tres. Cada nivel l = 2 admite 2l + 1 = 5 orbitales.
- Confundir 3d con 4d: ambos son orbitales d, pero pertenecen a distintos niveles principales con energías diferentes. Para configuraciones electrónicas, el 3d se llena en el periodo 4.
- Olvidar el orden de llenado: 4s se llena antes que 3d en el orden de Aufbau, aunque al ionizarse los metales de transición pierden primero los electrones 4s.
- Asumir que todos los orbitales d tienen la misma forma: cuatro son «pétalos en plano» y el d_z² es una forma especial con un anillo en el plano XY.
Aplicaciones e importancia
- Catálisis industrial: los metales del bloque d (Pt, Pd, Rh, Ni) son catalizadores fundamentales (Ostwald, Haber-Bosch, hidrogenaciones).
- Pigmentos: muchos pigmentos inorgánicos (azul cobalto, verde cromo, amarillo cadmio) deben su color a transiciones d-d.
- Bioquímica: la hemoglobina (Fe), la clorofila (Mg, aunque no d), el citocromo c (Fe), la vitamina B₁₂ (Co) y muchas enzimas dependen de metales con electrones d.
- Imanes y aleaciones: el ferromagnetismo del hierro, cobalto y níquel es consecuencia directa del comportamiento de sus electrones d.