Estado de oxida¸c˜ao e carga do metal de transi¸c˜ao

Complexos de metais de transi¸c˜ao podem sofrer processos redox nos quais adquirem diferentes estados de carga. Para descrever esse comportamento associa-se um estado de oxida¸c˜ao ao metal de transi¸c˜ao que aumenta quando h´a perda de el´etrons e diminui quando h´a ganho. Por esta raz˜ao o ganho ou perda de um el´etron em um processo redox costuma ser associado a uma mudan¸ca na carga do metal de transi¸c˜ao. Por´em, na defini¸c˜ao de estado de oxida¸c˜ao [45], uma associa¸c˜ao direta com carga real n˜ao ´e expl´ıcita. O estado de oxida¸c˜ao costuma ser relacionado tamb´em com outras propri- edades do ´atomo, tais como magnetismo, cor, raio atˆomico e disposi¸c˜ao espacial dos complexos formados pelo metal [46, 47].

Dos c´alculos DFT para os sistemas estudados ´e poss´ıvel obter a carga do metal de transi¸c˜ao atrav´es de uma an´alise de popula¸c˜ao de Mulliken, com a qual podemos estudar se existe uma correla¸c˜ao entre estado de oxida¸c˜ao e carga no metal. A Figura 2.3 mostra a popula¸c˜ao de Mulliken para os orbitais de valˆencia do ferro como fun¸c˜ao da carga por n´umero de carbonos do sistema, Q(e)/NC. Para a Fe-porfirina neutra,

considera-se que o ferro tem estado de oxida¸c˜ao +2 [48]. Assim os estados de carga Q=+1 e -1 correspondem a estados de oxida¸c˜ao +3 e +1, respectivamente. A Fe- ftalocianina tem estados de oxida¸c˜ao equivalentes para os trˆes estados de carga, devido a sua semelhan¸ca estrutural com a Fe-porfirina. As curvas para a Fe-porfirina e a Fe- ftalocianina mostram uma pequena dependˆencia da carga no ´atomo de ferro com o estado de oxida¸c˜ao. Nos dois casos a carga no ´atomo varia em torno de 0.1e quando

um el´etron ´e adicionado ou removido dos sistemas. Isto mostra que n˜ao existe uma rela¸c˜ao direta entre o estado de oxida¸c˜ao e a carga do metal de transi¸c˜ao para estes sistemas. Por outro lado, para o fulereno e para o nanotubo uma rela¸c˜ao direta entre os estados de carga ±3 para o fulereno e ±5.7 para o nanotubo e o estado de oxida¸c˜ao do metal n˜ao ´e clara, por´em pode-se observar uma tendˆencia do ferro a manter sua carga constante quando el´etrons s˜ao adicionados ou removidos dos sistemas. Nos quatro casos, o resultado est´a de acordo com o princ´ıpio de eletroneutralidade de Pauling [49] que estabelece que “a estrutura eletrˆonica de substˆancias ´e tal que a carga el´etrica resultante em cada ´atomo ´e essencialmente zero”.

Figura 2.3: Popula¸c˜ao de Mulliken para os orbitais de valˆencia do ferro em fun¸c˜ao da carga por n´umero de carbonos do sistema (Q(e)/NC)

Esta rela¸c˜ao entre carga atˆomica e estado de oxida¸c˜ao foi estudada tamb´em para ou- tros complexos moleculares de metais de transi¸c˜ao [46] e para metais de transi¸c˜ao em isolantes [50]. Nestes dois trabalhos, a conclus˜ao ´e que n˜ao existe rela¸c˜ao entre estado de oxida¸c˜ao e carga atˆomica do metal de transi¸c˜ao. Por´em, os dois artigos explicam esta pequena varia¸c˜ao da carga com respeito ao estado de oxida¸c˜ao de duas formas diferentes. Para Aull´on et al. [46] este efeito est´a de acordo com o princ´ıpio de eletroneutralidade de Pauling [49]. J´a Raebiger et al. [50] prop˜oem um modelo de orbitais moleculares no qual os estados do sistema s˜ao caracterizados de duas formas. Os orbitais em que predomina a contribui¸c˜ao do metal de transi¸c˜ao, chamados CFR (crystal field resonance), e aqueles em que predomina a contribui¸c˜ao dos ´atomos do cristal, chamados DBH (dangling bond hybrid ). No modelo, os autores assumem que aumentando-se a ocupa¸c˜ao dos orbitais do metal de transi¸c˜ao, os estados DBH se

tornam mais ligantes e consequentemente mais ocupados enquanto os estados CFR se tornam antiligantes e sua ocupa¸c˜ao diminui. Como resultado deste efeito, que eles chamam self-regulated response, a carga no metal de transi¸c˜ao permanece aproxima- damente constante.

Figura 2.4: Densidade de Estados projetada no ferro e os 4 nitrogˆenios primeiros vizinhos para os trˆes estados de carga. a)Fe-porfirina. b) Fe-ftalocianina.

Considerando a hip´otese de um modelo similar ao proposto por Raebiger et al., ana- lisamos a seguir a estrutura eletrˆonica e a liga¸c˜ao entre o ferro e os nitrogˆenios para cada sistema nos trˆes diferentes estados de carga. Para isto fizemos um gr´afico da densidade de estados projetada nos ´atomos de ferro e nitrogˆenio (Figuras 2.4 e 2.7) e alguns dos orbitais moleculares para Fe-porfirina e Fe-ftalocianina.

A Figura 2.4 a) mostra a densidade de estados projetada nos ´atomos de ferro e nitro- gˆenio para a Fe-porfirina. Vemos claramente que para o sistema neutro tanto o orbital ocupado de maior energia, HOMO2, quanto o orbital n˜ao-ocupado de menor energia, LUMO3_{, correspondem a estados de spin minorit´ario localizados no ferro. Compa-}

2

Do inglˆes, Highest Occupied Molecular Orbital

3

rando com os sistemas carregados vemos que no caso do estado de carga Q = +1 o HOMO passa a ser um orbital localizado nos nitrogˆenios, enquanto o LUMO continua estando localizado no ferro. No caso do estado de carga Q=-1, o HOMO ´e o orbital que continua sendo localizado no ferro, enquanto o LUMO passa a ser um orbital localizado nos nitrogˆenios. Devido a esta mudan¸ca na estrutura eletrˆonica perto do n´ıvel de Fermi, analisaremos a seguir o HOMO e o LUMO para os trˆes estados de carga da Fe-porfirina.

a. b.

c. d.

e. f.

Figura 2.5: HOMO e LUMO Fe-porfirina. HOMO: a. Q=-1e, c. Q=0e e e. Q=+1e. LUMO: b. Q=-1e, d. Q=0e e f. Q=+1e

A Figura 2.5c. mostra o HOMO para o estado de carga Q = 0e, no qual predomina o car´ater Fe-dxz. Este orbital ´e duplamente degenerado com o orbital Fe-dyz, que n˜ao

se mostra na figura mas que corresponde a uma rota¸c˜ao de 90◦ _{ao redor do eixo z}

do orbital mostrado. O LUMO (Figura 2.5 d.) tem car´ater Fe-dz2. Para Q = +1e

o HOMO (Figura 2.5 e.) ´e devido a orbitais N-pz e C-pz, e o LUMO (Figura 2.5 f.)

ao orbital Fe-dz2. Finalmente, para o estado de carga Q = −1e o HOMO (Figura 2.5

a.) corresponde aos estados degenerados Fe-dxz e Fe-dyz e o LUMO (Figura 2.5 b.)

´e um orbital molecular resultante da combina¸c˜ao de orbitais pz dos carbonos e dos

nitrogˆenios. Este orbital ´e degenerado com orbital que corresponde a uma rota¸c˜ao de 90◦ _{ao redor do eixo z do orbital mostrado.}

estados de carga s˜ao mostrados na Figura 2.6. Comparando-se com a Fe-porfirina, vemos que para os sistemas neutros o HOMO e o LUMO das duas mol´eculas tem o mesmo car´ater. J´a no caso dos sistemas carregados, temos que para Q = −1 o HOMO (Figura 2.6 a.) continua sendo um orbital do ferro como no caso da Fe-porfirina, por´em neste caso muda-se o car´ater de Fe-dxz, Fe-dyz para Fe-dxy. O LUMO (Figura 2.6 b.) ´e

um orbital degenerado resultante da combina¸c˜ao de orbitais N-pz, C-pze uma pequena

contribui¸c˜ao do orbital Fe-dyz. O respectivo orbital degenerado que n˜ao se mostra na

figura tem uma pequena contribui¸c˜ao do orbital Fe-dxz e corresponde a uma rota¸c˜ao

do orbital mostrado de 90◦_{, ao redor do eixo z. E, para Q = +1, o HOMO (Figura}

2.6 e.) ´e um estado com car´ater C-pz e o LUMO s˜ao os orbitais degenerados Fe-dxz e

Fe-dyz.

a. b.

c. d.

e. f.

Figura 2.6: HOMO e LUMO Fe-ftalocianina. HOMO: a. Q=-1e, c. Q=0e e e. Q=+1e. LUMO: b. Q=-1e, d. Q=0e e f. Q=+1e

Dos gr´aficos para a densidade de estados projetada nos ´atomos de ferro e nitrogˆenio para os quatro sistemas (Figuras 2.4 e 2.7), vemos que para os estados de carga Q = +1 da Fe-porfirina e da Fe-ftalocianina, Q = +3 do fulereno e Q = +5.7 do nanotubo os estados ocupados do ferro deslocam-se para energias menores se compararmos com o estado de carga Q=0. Outra carater´ıstica comum aos quatro sistemas ´e que a hibridiza¸c˜ao4 _{entre orbitais do ferro e orbitais do nitrogˆenio, assim como a ocorrˆencia}

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de picos s´o para o nitrogˆenio perto do n´ıvel de Fermi parece aumentar quando el´etrons s˜ao removidos do sistema. Com o objetivo de quantificar esta caracter´ıstica, definimos a seguir o fator de hibridiza¸c˜ao.

Figura 2.7: Densidade de Estados projetada no ferro e os 4 nitrogˆenios primeiros vizinhos para os trˆes estados de carga. a)Fulereno. b) Nanotubo.