Понятие о теории кристаллического поля. Модели химической связи

Теория кристаллического поля пришла на смену теории валентных связей в 40-х годах XX столетия. В чистом виде она сейчас не применяется, так как не может объяснить образование ковалентных связей в комплексных соединениях и совершенно не учитывает истинного состояния лигандов (например, их действительных размеров) даже в случае взаимодействий, близких к чисто электростатическим.

Уже с середины 50-х годов упрощенная теория кристаллического поля была заменена усовершенствованной теорией поля лигандов , учитывающей ковалентный характер химических связей между комплексообразователем и лигандом.

Однако наиболее общий подход к объяснению образования комплексных соединений дает теория молекулярных орбиталей (МО), которая в настоящее время превалирует над всеми остальными. Метод молекулярных орбиталей предусматривает и чисто электростатическое взаимодействие при отсутствии перекрывания атомных орбиталей, и всю совокупность промежуточных степеней перекрывания.

Рассмотрим основные понятия теории кристаллического поля , которая, как и теория валентных связей, все еще сохраняет свое значение для качественного описания химических связей в комплексных соединениях из-за большой простоты и наглядности.

В теории кристаллического поля химическая связь комплексообразователь – лиганд считается электростатической . В соответствии с этой теорией лиганды располагаются вокруг комплексообразователя в вершинах правильных многогранников (полиэдров ) в виде точечных зарядов . Реальный объем лиганда теорией во внимание не принимается.

Лиганды, как точечные заряды, создают вокруг комплексообразователя электростатическое поле (“кристаллическое поле”, если рассматривать кристалл комплексного соединения, или поле лигандов ), в котором энергетические уровни комплексообразователя и прежде всего d -подуровни расщепляются , и их энергия изменяется. Характер расщепления, энергия новых энергетических уровней зависит от симметрии расположения лигандов (октаэдрическое, тетраэдрическое или иное кристаллическое поле). Когда в качестве лигандов координируются молекулы H 2 O, NH 3 , CO и другие, их рассматривают как диполи , ориентированные отрицательным зарядом к комплексообразователю.

Рассмотрим случай октаэдрического расположения лигандов (например, -3 или 3+). В центре октаэдра находится ион-комплексообразователь М(+ n) с электронами на d -атомных орбиталях, а в его вершинах – лиганды в виде точечных отрицательных зарядов (например, ионы F - или полярные молекулы типа NH 3). В условном ионе М(+ n), не связанном с лигандами, энергии всех пяти d -АО одинаковы (т.е. атомные орбитали вырожденные ).

Однако в октаэдрическом поле лигандов d -АО комплексообразователя попадают в неравноценное положение. Атомные орбитали d (z 2) и d(х 2 -у 2) , вытянутые вдоль осей координат, ближе всего подходят к лигандам. Между этими орбиталями и лигандами, находящимися в вершинах октаэдра, возникают значительные силы отталкивания , приводящие к увеличению энергии орбиталей. Иначе говоря, данные атомные орбитали подвергаются максимальному воздействию поля лигандов . Физической моделью такого взаимодействия может служить сильно сжатая пружина.
Другие три d -АО – d (xy ), d (xz ) и d (yz ), расположенные между осями координат и между лигандами, находятся на более значительном расстоянии от них. Взаимодействие таких d -АО с лигандами минимально, а следовательно – энергия d (xy ), d (xz ) и d (yz )-АО понижается по сравнению с исходной.
Таким образом, пятикратно вырожденные d -АО комплексообразователя, попадая в октаэдрическое поле лигандов , подвергаются расщеплению на две группы новых орбиталей – трехкратно вырожденные орбитали с более низкой энергией, d (xy ), d (xz ) и d (yz ), и двукратно вырожденные орбитали с более высокой энергией, d (z 2) и d(х 2 -у 2) . Эти новые группы d -орбиталей с более низкой и более высокой энергией обозначают d ε и d γ:

d (z 2) и d(х 2 -у 2)

d (xy ), d (xz ),d (yz )

Разность энергий двух новых подуровней d ε и d γ получила название параметра расщепления Δ 0:

E 2 – E 1 = Δ 0 ≈ 0

Расположение двух новых энергетических подуровней d ε и d γ по отношению к исходному (d -АО) на энергетической диаграмме несимметричное :

(Е 2 – Е 0) > (Е 0 – Е 1).

Квантово-механическая теория требует, чтобы при полном заселении новых энергетических уровней электронами общая энергия осталась без изменения , т.е. она должна остаться равной Е 0 .
Иначе говоря, должно выполняться равенство

4(Е 2 – Е 0) = 6(Е 0 – Е 1),

где 4 и 6 – максимальное число электронов на d γ- и d ε-АО. Из этого равенства следует, что

(Е 2 – Е 0) / (Е 0 – Е 1) = 3/2 и
(Е 2 – Е 1) / (Е 0 – Е 1) = 5/2, или

Δ 0 / (Е 0 – Е 1) = 5/2, откуда (Е 0 – Е 1) = 2/5Δ 0 .

Размещение каждого электрона из шести максимально возможных на d ε-орбитали вызывает уменьшение (выигрыш ) энергии на 2/5 Δ 0 .

Наоборот, размещение каждого электрона из четырех возможных на d γ-орбитали вызывает увеличение (затрату ) энергии на 3/5 Δ 0 .

Если заселить электронами d ε- и d γ-орбитали полностью, то никакого выигрыша энергии не будет (как не будет и дополнительной затраты энергии ).

Но если исходная d -АО заселена только частично и содержит от 1 до 6 электронов, и эти электроны размещаются только на d ε-АО, то мы получим значительный выигрыш энергии .
Выигрыш энергии за счет преимущественного заселения электронами d ε-атомных орбиталей называют энергией стабилизации комплекса полем лигандов .

Специфика каждого из лигандов сказывается в том, какое поле данный лиганд создает – сильное или слабое . Чем сильнее поле лигандов, чем больше значение параметра расщепления Δ 0 .

Изучение параметра расщепления, как правило, основано на спектроскопических исследованиях. Длины волн полос поглощения комплексов в кристаллическом состоянии или в растворе, обусловленные переходом электронов с d ε- на d γ-АО, связаны с параметром расщепления Δ 0 следующим образом:

λ = c / ν; Δ 0 = Е 2 – Е 1 = h ν = h · (c / λ),

где постоянная Планка h равна 6,6260693 ∙ 10 -34 Дж · с;
скорость света с = 3 · 10 10 см/с.
Единица измерения Δ 0 – та же, что у волнового числа: см -1 , что приближенно отвечает 12 Дж/моль. Параметр расщепления , помимо типа лиганда, зависит от степени окисления и природы комплексообразователя.
В комплексных соединениях, включающих комплексообразователи одного и того же периода и в одинаковой степени окисления, с одними и теми же лигандами, параметр расщепления примерно одинаков. С ростом степени окисления комплексообразователя значение Δ 0 увеличивается . Так, для аквакомплексов 2+ и 2+ значение параметра расщепления составляет 7800 и 10400 см -1 , а для 3+ и +3 13700 и 21000 см -1 соответственно. При увеличении заряда ядра атома-комплексообразователя Δ 0 тоже растет. Катионы гексаамминкобальта(III) 3+ , гексаамминродия(III) 3+ , гексаамминиридия(III) 3+ (Z = 27, 45 и 77) характеризуются параметрами расщепления, равными 22900, 34100 и 41000 см -1 .

Зависимость Δ 0 от природы лигандов более разнообразна. В результате исследования многочисленных комплексных соединений было установлено, что по способности увеличивать параметр расщепления металлов-комплексообразователей, находящихся в своих обычных степенях окисления, наиболее распространенные лиганды можно расположить в следующий спектрохимический ряд , вдоль которого значение Δ 0 монотонно растет:
I > Br > Cl > NCS - ≈ NO 3 - > F - > OH - >H 2 O > H - > NH 3 > NO 2 - > CN - > NO > CO.

Таким образом, наиболее сильное электростатическое поле вокруг комплексообразователя и самое сильное расщепление d -АО вызывают лиганды CN - , NO и CO. Рассмотрим распределение электронов по d ε- и d γ-орбиталям в октаэдрическом поле лигандов. Заселение d ε- и d γ-орбиталей происходит в полном соответствии с правилом Гунда и принципом Паули . При этом независимо от значения параметра расщепления первые три электрона занимают квантовые ячейки d ε-подуровня:

dε

Если число электронов на d -подуровне комплексообразователя больше трех, для размещения их по расщепленным подуровням появляется две возможности. При низком значении параметра расщепления (слабое поле лигандов) электроны преодолевают энергетический барьер, разделяющий d ε- и d γ-орбитали; четвертый, а затем и пятый электроны заселяют квантовые ячейки d γ-подуровня.

dε

При сильном поле лигандов и высоком значении Δ 0 заселение четвертым и пятым электроном d γ-подуровня исключено; происходит заполнение d ε-орбиталей.

dε

При слабом поле лигандов заселяющие квантовые ячейки 4 или 5 электронов имеют параллельные спины , поэтому получаемый комплекс оказывается сильно парамагнитен . В сильном поле лигандов образуются одна, а затем две электронные пары на d ε-подуровне, так что парамагнетизм комплекса оказывается гораздо слабее. Шестой, седьмой и восьмой электроны в случае слабого поля оказываются снова на d γ-подуровне, дополняя конфигурации до электронных пар (одной в случае d 6 , двух – d 7 и трех – d 8):

dε

В случае сильного поля лигандов шестой электрон заселяет dε -АО, приводя к диамагнетизму комплекса, после чего седьмой и восьмой электроны поступают на d γ-подуровень:

dε

Очевидно, при восьмиэлектронной конфигурации различия в строении между комплексами с лигандами слабого и сильного поля исчезают . Заселение орбиталей девятым и десятым электроном также не различается для комплексов обоих типов:

dε

Вернемся к рассмотрению электронного строения октаэдрических комплексных ионов 3+ и -3 . В соответствии с расположением в спектрохимическом ряду , аммиак NH 3 относится к числу лигандов сильного поля , а фторид-ион F - – слабого поля . В анионе -3 лиганды F - создают слабое кристаллическое поле (Δ 0 = 13000 cм -1), и все электроны исходной 3d 6 -АО размещаются на d ε- и d γ-орбиталях без какого-либо спаривания. Комплексный ион является высокоспиновым и содержит четыре неспаренных электрона, поэтому он парамагнитен :

В ионе 3+ лиганды NH 3 создают сильное кристаллическое поле (Δ 0 = 22900 см -1), все 3d 6 -электроны размещаются на более энергетически выгодной d ε-орбитали. Переход электронов с d ε- на d γ-орбитали невозможен из-за слишком высокого энергетического барьера . Поэтому данный комплексный катион является низкоспиновым , он не содержит неспаренных электронов и диамагнитен :

Аналогичным образом могут быть представлены схемы распределения электронов по орбиталям в октаэдрическом поле для ионов 2+ и -4:

Лиганды H 2 O создают слабое поле; обмен электронами между d ε- и d γ-орбиталями не вызывает затруднений и поэтому число неспаренных электронов в комплексном ионе такое же, как и в условном ионе Fe + II . Получаемый аквакомплекс – высокоспиновый, парамагнитный .
Наоборот, лиганды CN - вызывают значительное расщепление d -АО, составляющее 33000 см -1 . Это значит, что существует сильная тенденция к размещению всех электронов на d ε-орбиталях. Выигрыш энергии , получаемый при таком заселении орбиталей, много больше энергетических затрат, обусловленных спариванием электронов.

C позиции метода валентных связей в гибридизации валентных орбиталей, образующих связь в аквакомплексе участвуют d -АО внешнего подуровня (4sp 3 d 2), а в низкоспиновом ― d -АО внутреннего подуровня (3d 2 4sp 3).

Таким образом, в высокоспиновых комплексах с лигандами слабого поля осуществляется гибридизация с участием d -АО внешнего подуровня, а низкоспиновых с лигандами сильного поля ― d -АО внутреннего подуровня. Количество неспаренных электронов в комплексе возможно определить методом электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). С помощью приборов данного метода, называемых ЭПР спектрометрами, исследуются парамагнитные вещества.

Теория кристаллического поля позволяет объяснить появление той или иной окраски у комплексных соединений. Среди комплексных соединений значительное количество в кристаллическом состоянии и водном растворе отличаются яркой окраской. Так, водный раствор, содержащий катионы 2+ , окрашен в интенсивно синий цвет, катионы 3+ придают раствору фиолетовую окраску, а катионы 2+ красную. Если через раствор или кристаллический образец вещества пропускать свет видимой части спектра , то в принципе возможны три варианта физического поведения образца: отсутствие поглощения света любой длины волны (образец вещества бесцветен , хотя может иметь полосы поглощения в ультрафиолетовой области спектра); полное поглощение света во всем интервале длин волн (образец будет казаться черным ); наконец, поглощение света только определенной длины волны (тогда образец будет иметь цвет, дополнительный к поглощенному узкому участку спектра).

Таким образом, цвет раствора или кристаллов определяется частотой полос поглощения видимого света. Поглощение квантов света комплексами (например, имеющими октаэдрическое строение) объясняется взаимодействием света с электронами, находящимися на d ε-подуровне, сопровождаемое их переходом на вакантные орбитали d γ-подуровня. Например, при пропускании света через водный раствор, содержащий катионы гексаакватитана(III) 3+ , обнаруживается полоса поглощения света в желто-зеленой области спектра (20300 см -1 , λ=500 нм). Это связано с переходом единственного электрона комплексообразователя с d ε-АО на d γ-подуровень:

Поэтому раствор, содержащий 3+ , приобретает фиолетовый цвет (дополнительный к поглощенному желто-зеленому). Раствор соли ванадия Cl 3 имеет зеленый цвет. Это также обусловлено соответствующими переходами электронов при поглощении ими части энергии светового луча. В основном состоянии, при электронной конфигурации ванадия(III) 3d 2 , два неспаренных электрона занимают d ε-подуровень:

Существует всего два варианта перехода двух электронов на d γ-подуровень: либо оба электрона занимают d γ-АО, либо только один из них. Любые другие переходы электронов, связанные с уменьшением суммарного спина, запрещены.
Указанным переходам электронов, получивших избыточную энергию, соответствует полоса поглощения около 400 нм в спектре поглощения раствора хлорида гексаакваванадия(III). Поглощение пурпурно-фиолетовой области спектра дает дополнительный цвет раствора – ярко-зеленый . Если комплексообразователь имеет электронную конфигурацию d 0 или d 10 , то переходы электронов с d ε- на d γ-подуровень или наоборот невозможны либо из-за отсутствия электронов , либо из-за отсутствия вакантных орбиталей . Поэтому растворы комплексов с такими комплексообразователями, как Sc(III) (3d 0), Cu(I) (3d 10), Zn(II) (3d 10), Cd(II) (4d 10) и т.п., не поглощают энергии в видимой части спектра и кажутся бесцветными . Избирательность поглощения света зависит не только от комплексообразователя и степени его окисления , но и от вида лигандов . При замене в комплексном соединении лигандов, находящихся в левой части спектрохимического ряда, на лиганды, создающие сильное электростатическое поле, наблюдается увеличение доли энергии, поглощаемой электронами из проходящего света и как следствие – уменьшение длины волны соответствующей полосы поглощения. Так, водный раствор, содержащий катионы тетрааквамеди(II) 2+ , окрашен в голубой цвет, а раствор сульфата тетраамминмеди(II) 2+ имеет интенсивно синюю окраску.

Похожая информация.

Подобно ионной модели, теория кристаллического поля (ТКП) предполагает, что комплексные соединения образуются в результате электростатического взаимо­дейс­твия между цент­ральным ионом комплексообра­зо­вателем и лигандами. Однако, в отличие от лигандов, которые рассматриваются как точечные заряды или диполи, цент­раль­ный ион рассматривается с учетом эго электронной структуры и ее изменения под действием электрического поля лигандов.

Основным эффектом действия электрического поля лигандов на электрон­ную структуру центрального ио­на d-металла является рас­щепление его пяти­крат­но вы­­­рож­денных валентных d-орбиталей, в ре­зультате различного нап­рав­ления в пространстве d xy , d xz , d yz , d z2 , d x2-y2 орбиталей и, как след­с­т­вие этого, раз­личной эф­фек­тив­ности взаи­мо­действия d-электронов c ли­гандами. Характер рас­щепления d-орбита­лей зави­сит от простран­с­т­­вен­ного расположения (сим­мет­рии) ли­ган­дов вокруг ио­на металла Чем ни­же симметрия лигандного окру­же­ния иона металла, тем расщепление d-орбита­лей больше:

Тетраэдр Сферическое Октаэдр Тетрагонально Плоский

электрическое искаженный квадрат

поле лигандов октаэдр

Схема 1. Качественная диаграмма расщепление d-орбиталей.

Действие электрического поля лигандов, расположенных в вер­ши­нах октаэд­ра на координатных осях x, y и z приводит для ок­та­эд­ри­ческих комплексов z к рас­щеп­лению пятикратно вырожден­ных d-ор­биталей центрального ио­на металла 2 группы - низко­энер­­ге­ти­чес­кие трехкратно вырожденные t 2g (d xy , d xz , d yz) орбитали и более вы­со­ко­энергетические двукратно вырожденные e g (d x2-y2 , d z2) орбита­ли. Для тетраэдрических комплексов z d-орбитали металла так­же рас­­щеп­ляются на 2 группы, но энергия трехкратно вырожденных t-ор­би­та­лей выше по сравнению с энергией е-орбиталей. Понижение симметрии лиганд­но­го окружения центрального иона металла при пе­реходе от октаэдрических к тетрагонально искаженным и плоско­квад­ратным комплексам: z ®транс- z ® z приво­дит к дальнейшему расщеплению d-орбиталей иона ме­талла.

Раз­ность энергий между расщепленными орбиталями называется парамет­ром расщепления кристаллическим полем и обозначается D или 10Dq. Посколь­ку средняя энергия d-орбиталей при переходе от сферически симметричного по­ля лигандов к октаэдрическому полю ос­тается неизменной, то относительное понижение энергии трех­крат­но вырожден­ных t 2g -ор­би­талей происходит на ве­личину 0.4D, а по­вы­ше­ние энергии e g -орбиталей на 0.6D. Величина параметра D для дан­но­го комплекса определяется эффективностью действия электричес­ко­го по­ля лигандов на центральный ион комплексообразователь и зависит как от при­роды центрального иона металла, так и лигандов:

С увеличением главного квантового числа валентных d-орбиталей иона ме­тал­ла 3d®4d®5d в результате увеличения их размера ве­ли­чи­на D в подоб­ных октаэдрических комплексах последовательно уве­личивается при­мер­но на 30-50%;

С увеличением степени окисления металла величина D увеличива­ет­ся – для по­добных октаэдрических комплексов со сте­пенью окис­­ле­ния металла +3 ве­личина D примерно на 40-80% боль­ше, чем для металла со степенью окис­ле­ния +2;

Наиболее распространенные лиганды могут быть расположены в ряд, назы­ва­емый спектрохимическим рядом лигандов , по воз­рас­та­нию величины D для их комплексов с ионами металлов в их обыч­ном низшем окислительном состоянии: I - < Br - < Cl - ~ SCN - < F - < OH - < C 2 O 4 2- ~ H 2 O < NCS - < NH 3 < NO 2 < H - < CN - ~ CO;

Величина параметра D т для тетраэдрических комплексов составляет при­мер­но 40-50% от величины D о для аналогичных октаэдрических комплексов, что близко к теоретическому значению: D т = 4/9D o ; пол­ная величина расщеп­ле­ния (D 1 + D 2 + D 3) для плоскоквадратных комплексов примерно на 30% боль­ше параметра расщепления для аналогичных октаэдрических комплексов.

Пример 1. Расположить следующие комплексы в порядке увели­че­ния пара­мет­ра D: а) 3- , 3- , 3+ ; б) 3- , - , 3- ; в) 2- (тетраэдр), 4- .

Решение. а) величина D в ряду октаэдрических комплексов Co(III) оп­реде­ля­ет­ся положением лигандов в спектрохимическом ряду: 3- < 3+ < 3- ;

б) в ряду фторидных октаэдрических комплексов 3- увеличива­ет­ся зна­че­ние главного квантового числа валентных d-ор­би­та­лей иона металла Co 3+ (3d 6), Rh 3+ (4d 6), Ir 3+ (5d 6), что и приводит к увеличению параметра D в ряду: 3- < 3- < 3- ;

в) с уменьшением координационного числа при переходе от окта­эд­ри­чес­ких к од­нотипным тетраэдрическим комплексам пара­метр D умень­шается: 4- > 2- (тетраэдр).

Заполнение электронами расщепленных d-орбиталей металла в ком­плексах про­ис­ходит в соответствии с принципом минимума энер­гии, принци­пом Паули и правилом Хунда. Для октаэдрических комп­лек­сов с d 1 , d 2 , d 3 , d 8 , d 9 и d 10 электронной конфигурацией цент­рального иона металла независимо от пара­мет­­ра D минимальной энер­­гии комплекса соответствует только один порядок рас­пределения электронов по t 2g и e g орбиталям с неизменным по сравнению со сво­бод­ным ионом металла значением спиновой мультиплетности (2S+1):

М z+	(2S+1)	x	(2S+1)
d 1		(t 2g) 1
d 2		(t 2g) 2
d 3		(t 2g) 3
d 8		(t 2g) 6 (e g) 2
d 9		(t 2g) 6 (e g) 3
d 10		(t 2g) 6 (e g) 4

В тоже время, для ионов металлов с d 4 , d 5 , d 6 , d 7 электронной кон­фи­гурацией в за­висимости от соотношения параметра D и энергии меж­элек­тронного оттал­ки­ва­ния (E м.о.) минимальной энергии ком­п­лекса могут соответствовать два типа рас­пределения электронов по t 2g и e g ор­биталям металла: 1) если D < E м.о. , то за­пол­нение элект­ро­на­ми t 2g и e g орбиталей происходит в соответствии с правилом Хунда и спи­но­вая мультиплетность таких высокоспиновых комплексов совпа­да­ет с мультиплетностью свобод­но­го иона металла; 2) если же D > E м.о. , то пер­­во­на­чально происходит полное заполнение электронами t 2g ор­би­та­лей и только по­­том e g орбиталей; спиновая мультиплетность таких низко­спи­новых комплек­сов уменьшается по сравнению со свободным и­о­ном металла:

M z+	(2S+1)	x
Высокоспиновый	(2S+1)	Низкоспиновый	(2S+1)
d 4		(t 2g) 3 (e g) 1		(t 2g) 4 (e g) 0
d 5		(t 2g) 3 (e g) 2		(t 2g) 5 (e g) 0
d 6		(t 2g) 4 (e g) 2		(t 2g) 6 (e g) 0
d 7		(t 2g) 5 (e g) 2		(t 2g) 6 (e g) 1

Пример 2. Опишите электронное строение, определите спиновую мультип­лет­ность и охарактеризуйте магнитные свойства следую­щих октаэдри­чес­ких комп­лексов: а) 3- и 3- ; б) 3- и 3- ; в) 3- и 3- .

Решение. а) электронное строение иона Cr 3+ (3d 3) определяет незави­си­мо от при­роды лигандов единственный порядок заполнения элект­ро­нами его расщеп­лен­ных в октаэдрическом поле лигандов орби­та­лей, отвечающих минимальной энергии комплексов: (t 2g) 3 (e g) 0 . Спи­но­вая мультиплетность комплексов 3- и 3- совпа­да­ет с мультиплетностью свободного иона Cr 3+ и составляет (2S+1) = 4. На­ли­чие трех неспаренных электронов определяет парамагнитные свойс­т­ва обоих комплексов;

б) электронное строение иона Co 3+ (3d 6) определяет в зависимости от силы поля ли­гандов возможность образования как высокоспиновых, так и низ­ко­спиновых октаэдрических комплексов. Поскольку из по­ло­жения в спектрохимическом ря­ду лигандов следует, что F - яв­ля­ет­ся ли­гандом слабого поля, а CN - - лигандом сильного поля, то элек­т­рон­ное строение 3- соот­вет­ствует высокоспи­ново­му комплексу с (t 2g) 3 (e g) 1 электронной конфигурацией Co(III) и спиновой муль­тип­лет­ностью (2S+1) = 5, характеризующей парамагнитные свойства комп­лек­са, тогда как 3- является низкоспиновым ком­плексом с (t 2g) 6 (e g) 0 элект­рон­ной конфигурацией Co(III) и спино­вой мультиплет­ностью (2S+1)= 1 – комп­лекс характеризуется диамагнитными свойс­т­вами;

в) поскольку, увеличение параметра D в ряду 3d < 4d < 5d переходных металлов оп­ределяет для комплексов тяжелых 4d и 5d переходных ме­таллов практически независимо от силы поля лигандов обра­зо­ва­ние низкоспиновых комплексов, то комплексы 3- и 3- ха­рак­теризуются подобной электронной конфи­гу­рацией иридия(III) (t 2g) 6 (e g) 0 и спиновой мультиплетностью (2S+1) = 1, опре­де­ляющей ди­амагнитные свойства комплексов.

Для тетраэдрических и плоскоквадратных комплексов с коор­дина­ци­онным чис­лом 4 принципиально также возможно образование двух типов комплексов – вы­сокоспиновых и низкоспиновых. Однако, пос­коль­ку величина D для тетра­эд­­рических, октаэдрических и плос­ко­квад­ратных ком­п­лек­­сов увеличивается при­мерно на 45% и 30%, то, для ионов 3d-пе­ре­­ходных металлов образование тет­раэдрических ком­­п­лексов характерно с лигандами слабого поля и такие ком­п­лексы являются высоспиновыми, тогда как для лигандов сильного поля об­ра­зу­ются плоскоквадратные низкоспиновые комплексы; увеличение параметра D при переходе от ионов 3d к 4d и 5d переходным ме­тал­лам приводит к об­ра­зо­ва­нию ими только низкоспиновых плоско­квад­рат­ных комплексов.

Пример 3. Опишите электронное строение, определите спиновую муль­тип­лет­ность и охарактеризуйте магнитные свойства комплексов 2- и 2- .

Решение. Положение в спектрохимическом ряду определяет Cl - и CN - в ка­чест­ве лигандов слабого и сильного поля. Поэтому ио­н Ni 2+ (3d 8) с хлоридным ли­гандом образует высокоспи­но­вый тетраэд­ри­­чес­кий комплекс 2- с элект­ронной конфигу­ра­ци­ей e 4 t 4 и спи­новой мульти­плет­ностью (2S+1) = 2, оп­ре­деляющей его пара­маг­нит­ные свойства, тогда как с цианидным лигандом об­ра­зуется низ­ко­спи­новый плоскоквадратный комплекс 2- с электронной кон­фи­гурацией (d xz,yz) 4 (d z2) 2 (d xy) 2 , спино­вой мультиплетностью (2S+1) = 1 и ди­а­магнитными свойствами.

Наряду с магнитными свойствами, ТКП позволяет объяснить и пред­­­сказы­вать оптические свойства комплексов, которые опреде­ля­ют­ся фотоинду­циро­ван­ным переходом электрона с более низко­энер­ге­тических d-орбиталей на сво­бод­ные более высокоэнергетические ор­би­тали. Так, оптические свойства и ок­рас­ка октаэдрических комп­лексов z с (t 2g) 1 (e g) 0 электронной конфигу­ра­цией иона металла оп­ре­де­ляются переходом электрона между t 2g и e g орбита­ля­ми при поглощении квантов света, энергия которых соответствует энерге­ти­чес­ко­му раз­ли­чию между t 2g и e g орбиталями: Е = hc/l = D. Поскольку величина па­ра­метра D зависит от природы лигандов и центрального иона металла, то комп­лексы с различными лигандами и ионами ме­таллов поглощают кванты света раз­личной энергии, что и определяет различие в их оптических спектрах пог­ло­щения. Если длина волны поглощаемых комплексами квантов света соответ­ст­вует видимой о­б­ласти света l = 400 – 750 нм, то комплексы имеют харак­тер­ную ок­рас­ку, соответствующую не поглощенным квантам видимого света. Нап­ри­мер, полоса поглощения с максимумом при 493 нм в спектре 3+ со­от­ветствует желто-зеленой области видимого света. Пос­кольку более корот­ко­вол­новые “синие” и более длинноволновые “красные” кванты видимого света не поглощаются, то их супер­по­зи­ция определяет фиолетовую окраску комп­лек­са 3+ .

Пример 4. Определить максимум полосы поглощения комплекса 3- , ес­ли параметр D для данного комплекса составляет 1.58 Эв. Какой области спект­ра видимого света соответствуют поглощаемые комплексом кванты?

Решение. Условием фотоиндуцированного перехода (t 2g) 1 (e g) 0 ® (t 2g) 0 (e g) 1 в ком­­­­плексах Ti 3+ является равенство энергии кван­тов света параметру D и мак­си­мум полосы поглощения определяется соотно­ше­нием: l max = hc/D:

D = 1.58 эВ = (1.58×96495)/6.023×10 23) = 2.53×10 -19 Дж,

l max = (6.626×10 -34 ×3×10 8)/2.53×10 -19 = 7.86×10 -7 м = 786 нм,

Длина волны соответствует красной границе видимого света.

Важной характеристикой комплексов, отражающей влияние лиган­дов на из­менение электронного строения центрального иона комплек­со­образователя, яв­ля­ется энергия стабилизации кристал­ли­чес­ким по­лем (ЭСКП) – выигрыш в энер­гии при заполнении элек­т­ронами рас­щеп­ленных d-орбиталей металла в ком­плексе данной сим­мет­рии по сравнению с заполнением электронами пяти­кратно вырож­ден­ных d-ор­биталей металла в эквивалентном сферически сим­мет­­рич­ном элек­т­рическом поле. Например, для октаэдрических комплексов за­се­ле­ние каждым электроном t 2g орбиталей приводит к понижению энер­гии на ве­­личину 0.4D, а заселение e g ор­би­талей - к повышению энергии на 0.6D:

М z+	x	ЭСКП	М z+	x	ЭСКП
d 1	(t 2g) 1 (e g) 0	0.4D	d 10	(t 2g) 6 (e g) 4
d 2	(t 2g) 2 (e g) 0	0.8D	d 9	(t 2g) 6 (e g) 3	0.6D
d 3	(t 2g) 3 (e g) 0	1.2D	d 8	(t 2g) 6 (e g) 2	1.2D
d 4	(t 2g) 3 (e g) 1 (t 2g) 4 (e g) 0	0.6D 1.6D	d 7	(t 2g) 5 (e g) 2 (t 2g) 6 (e g) 1	0.8D 1.8D
d 5		2.0D	d 6	(t 2g) 4 (e g) 2 (t 2g) 4 (e g) 0	0.4D 2.4D

Величина ЭСКП является важным параметром ТКП для объяснения и пред­ска­зания различий в энергии между разными комплексами и, как следствие это­го, в их свойствах.

Пример 5. Как и почему изменяются окислительно-восстанови­тель­ные свойст­ва аквакомплексов: 2+ , 3+ , 4+ ?

Решение. Поскольку вода является лигандом слабого поля, то аква­ком­п­лексы хрома являются высокоспиновыми и характеризуются сле­ду­ю­щими элект­рон­ны­ми конфигурациями иона металла и зна­че­ни­ями ЭСКП: 2+ (t 2g) 3 (e g) 1 , ЭСКП = 0.6D; 3+ (t 2g) 3 (e g) 0 , ЭСКП = 1.2D; 4+ (t 2g) 2 (e g) 0 , ЭСКП = 0.8D. Чем боль­ше величина ЭСКП, тем более устойчиво окис­лительное состо­я­ние хрома. Таким образом, наиболее устойчивым среди аква­комп­лексов хрома является комплекс хрома(III), для которого не харак­тер­ны ни заметные окислительные ни восстановительные свойства. Нао­б­орот, для менее устойчивых аквакомплексов Cr(II) ха­рак­терны вос­ста­новительные свойс­т­ва, а для аквакомплексов Cr(IV) – окисли­тель­ные свойства, обеспечивающие их пере­ход в более устой­чи­вый комп­лекс хрома(III):

4+ + e ® 3+ + e 2+ .

Пример 6. Почему в ряду двухзарядных катионов ранних d-элемен­тов с окта­эд­рическим окружением молекулами воды изменение ра­ди­уса с ростом заряда яд­ра происходит не монотонно: Sc 2+ (~90 пм) > Ti 2+ (86 пм) > V 2+ (79 пм) < Cr 2+ (80 пм) < Mn 2+ (83 пм)?

Решение. Если бы все катионы М 2+ имели сферическую симметрию распре­де­ле­ния электронной плотности вокруг ядра, то увеличение за­ря­да ядра приво­ди­ло бы к монотонному уменьшению ионного ради­у­са. Однако, для катионов d-эле­­ментов расщепление d-орби­та­лей под действием электрического поля ли­ган­дов и различный характер засе­ле­ния их электронами приводит к несиммет­рич­ному распреде­ле­нию электронной плотности по отно­шению к ядру, что и оп­ре­де­ляет вли­я­ние электронной конфигурации катиона на величину его эффек­тив­но­го радиуса.

Октаэдрические аквакомплексы комплексы М 2+ катионов ранних 3d-эле­мен­тов являются высокоспиновыми и характеризуются следу­ю­щими электронны­ми конфигурациями и значениями ЭСКП: Sc 2+ (t 2g) 1 (e g) 0 , ЭСКП = 0.4D; Ti 2+ (t 2g) 2 (e g) 0 , ЭСКП = 0.8D; V 2+ (t 2g) 3 (e g) 0 , ЭСКП = 1.2D; Cr 2+ (t 2g) 3 (e g) 1 , ЭСКП = 0.6D; Mn 2+ (t 2g) 3 (e g) 2 , ЭСКП = 0D. Таким образом, в ряду Sc 2+ ®Ti 2+ ®V 2+ в результате заселения электро­на­ми t 2g орбиталей происходит последо­ва­тель­ное увеличение ве­личины ЭСКП, что приводит к усилению дополнительного умень­шения зна­чения их эффек­тивных радиусов по сравнению с ожи­да­е­мым для сферически сим­метричных ионов. Последовательное умень­ше­ние величины ЭСКП для ио­нов Cr 2+ и Mn 2+ определяет умень­ше­ние влияния несим­мет­рич­нос­ти электрон­но­го строения катиона на его радиус, что и приводит к последовательному уве­ли­чению их ра­диусов.

Наряду с магнитными, оптическими и термодинамическими свойс­т­вами, ТКП позволяет объяснить специфику стереохимического стро­е­ния ком­п­лексов, характеризующихся как “правильными”, так и ис­ка­женными структурами. На­при­мер, для координационного числа 6, возможно образование комплексов как с “правильным” октаэдричес­ким стро­е­ни­ем (все шесть лигандов расположены на одинаковых рас­сто­яниях от иона металла), так и тетрагонально искаженных, характе­ри­зующихся разным расстоянием 2 аксиальных (по оси z) и 4 эква­то­ри­альных (в плоскости xy) лигандов от иона металла. Предельным случаем тет­ра­го­нального искажения октаэдрического ком­п­лекса, в котором аксиальные ли­ган­ды удалены от центрального иона металла на бесконечно большое рас­сто­я­ние, яв­ля­ет­ся образование плоско­квад­ратной структуры.

Причиной тетрагонального искажения октаэдрических комплексов является неравномерное распределение электронов по t 2g и e g орби­та­лям иона металла. Комплексы с равномерным распределением элек­т­ро­нов по t 2g и e g орбиталям – (t 2g) 3 (e g) 0 , (t 2g) 3 (e g) 2 , (t 2g) 6 (e g) 2 , (t 2g) 6 (e g) 0 , (t 2g) 6 (e g) 4 – характеризуются сферически симметричным характером рас­пределения электронной плотности и образуют правильные окта­эд­рические структуры. Если на орбиталях e g типа, нап­рав­лен­ных не­пос­­ред­ственно в сторону лигандов, находится 1 или 3 электрона - (t 2g) 3 (e g) 1 , (t 2g) 6 (e g) 1 , (t 2g) 6 (e g) 3 - то ак­си­аль­ные и экваториальные лиган­ды ис­пы­ты­вают разное от­тал­кивание и, как следствие этого, будут иметь разную длину связи металл-ли­ганд. Неравномерное распреде­ле­ние электронов по t 2g орби­та­лям - (t 2g) 1 (e g) 0 , (t 2g) 2 (e g) 0 , (t 2g) 4 (e g) 0 , (t 2g) 4 (e g) 2 , (t 2g) 5 (e g) 0 , (t 2g) 5 (e g) 2 - так­же будет приводить к искажению комплекса. Однако, поскольку t 2g ор­битали направлены между лиган­да­ми, то эффект искажения окта­эд­ри­ческой структуры комплекса в этом случае значительно слабее.

Тетрагональное искажение октаэдрических комплексов являются от­ра­же­ни­ем общего эффекта Яна-Теллера – вырожденное электрон­ное состояние не­ли­ней­ной молекулы неустойчиво; для стабилизации та­кая система должна под­верг­нуться искажению, снимающему вы­рож­дение. В согласии с эффектом Яна-Теллера, терагональное иска­же­ние приводит к расщеплению дважды вырож­ден­ных e g и трижды вы­рожденных t 2g орбиталей (схема 1.)

Пример 7. Какие из следующих комплексов имеют правильное ок­та­эд­ри­чес­кое строение, слабое и сильное тетрагональное искажение: а) 2+ , 2+ , 2+ , 2+ ; б) 4- , 4- , 4- , 4- ?

Решение. а) аквакомплексы двухзарядных катионов ранних d-эле­мен­тов яв­ля­ют­ся высокоспиновыми комплексами и характеризуются следующими элект­рон­ными конфигурациями ионов металлов: 2+ (t 2g) 3 (e g) 2 , 2+ (t 2g) 3 (e g) 1 , 2+ (t 2g) 3 (e g) 0 , 2+ (t 2g) 2 (e g) 0 . Сферически симметричное распределение элек­т­ронов в результате равномерного распределения электро­нов по t 2g и e g орбиталям определяет правильное октаэдрическое строение ком­п­­лексов 2+ и 2+ ; неравномерный ха­рак­тер распре­де­­ле­ния электронов по t 2g орбиталям приводит к сла­бо­му искажению 2+ , а не­рав­номерное распределение элект­ро­нов по e g орби­та­лям – к сильному тетра­го­наль­ному искажению 2+ ;

б) цианидные комплексы двухзарядных катионов ранних d-эле­мен­тов являются низкоспиновыми комплексами и характеризуются следую­щи­ми электронными конфигурациями ионов металлов: 4- (t 2g) 5 (e g) 0 , 4- (t 2g) 4 (e g) 0 , 4- (t 2g) 3 (e g) 0 , 4- (t 2g) 2 (e g) 0 . Равномерное распределение электро­нов по t 2g орбиталям оп­ределяет правильное октаэдрическое строение комплек­сов 4- ; все остальные комплексы характеризуются слабым иска­же­нием в результате неравномерного заселения электронами t 2g орби­та­лей.

Упражнения:

75. Расположите и обоснуйте расположение следую­щих комп­лек­сов в порядке увели­че­ния параметра D: а) 3- , 3- , 3+ , 3- , 3- ; б) 4- , 4- , 4- ; в) VCl 4 , [СoCl 4 ] 2- ; г) 2- , 2- , 2- .

76. Опишите электронное строение, определите спиновую мульти­п­летность и охарактеризуйте магнитные свойства для следую­щих комплексов: 4- , 4- , 3- , 3- , 4- , 4- , 2- , 2+ , 3- , 2- , 2- , 2+ .

77. Определите в каждой из пар следующих комплексов – какие ком­п­лексы имеют характерную окраску, а какие бесцветны: а) 2- и 2- ; б) 3- и 3+ ; в) - и - .

78. Определить максимум полосы поглощения комплекса 3- , если пара­метр D для данного комплекса составляет 2.108 Эв. Ка­кой области спект­ра видимого света соответствуют погло­ща­е­мые комплексом кванты?

79. Как и почему изменяются окислительно-восстанови­тель­ные свойс­т­ва ком­п­лексов кобальта: а) 2+ и 3+ ; б) 4- и 3- ?

80. Почему, несмотря на устойчивость октаэдрических комплексов Pt(IV) и плоскоквадратных комплексов Pt(II) с галогенидными лигандами, комп­лек­сы Pt(III) как октадрического, так и плоско­квад­ратного строения край­не неустойчивы?

81. Почему в ряду двухзарядных катионов поздних d-элемен­тов с ок­та­эд­ри­чес­ким окружением молекулами воды изменение ра­ди­уса с ростом за­ря­да ядра происходит не монотонно: Mn 2+ (83 пм) > Fe 2+ (78 пм) > Co 2+ (75 пм) > Ni 2+ (69 пм) < Cu 2+ (73 пм) < Zn 2+ (74 пм)?

82. Какие из следующих комплексов имеют правильное ок­та­эд­ри­чес­кое стро­ение, слабое и сильное тетрагональное искажение: 2+ , 2+ , 4- , 4- , 3+ , 3- , 4- , 4- , 2- ?

83. Почему хлоридный комплекс Ni(II) имеет тетраэдрическое стро­­е­ние, а хло­ридные комплексы Pd(II) и Pt(II) – плоскоквад­рат­ное? С какими ли­ган­дами комплексы Ni(II) будут иметь плос­­­ко­квад­ратное строение?

При одном и том же центральном ионе и одинаковой конфигурации комплексов значение параметра расщепления А тем больше, чем сильнее поле, создаваемое лигандами. Сила этого поля определяется такими классическими свойствами лигандов, как размер, заряд, дипольный момент (постоянный или наведенный), поляризуемость, а также способность к образованию я-связей. Для удобства рассмотрения разграничивают два предельных поля лигандов.

Рис. 5.

Для лигандов слабого поля энергия расщепления меньше, чем энергия межэлектронного отталкивания.

Для лигандов сильного поля энергия расщепления больше, чем энергия межэлектронного отталкивания.

На величину расщепления уровней энергии кристаллическим полем влияет степень окисления центрального атома и тип имеющихся у него (/-электронов. С увеличением степени окисления (/-элемента (возрастание заряда иона) А увеличивается, так как лиганды ближе подходят к центральному иону и, следовательно, вызывают большее расщепление (/-уровня. В подгруппах (/-элементов при переходе от 4-го к 5-му и в особенности к 6-му периоду Д однотипных комплексов заметно возрастает. Это объясняется тем, что Ad- и 5(/-орбитали простираются в пространстве дальше от ядра, чем 3(/-орбитали. Это отвечает более сильному отталкиванию электронов и лигандов и, соответственно, большему расщеплению Ad- и 5(/-уровней по сравнению с 3(/-уровнем.

Распределение электронов по d-орбиталям. Теория кристаллического поля достаточно просто и наглядно объясняет магнитные свойства комплексов, их спектры и ряд других свойств. Для понимания этих свойств надо знать характер распределения электронов по ^/-орбиталям иона, находящегося в поле лигандов. Последнее зависит от соотношения величин энергии расщепления Д и энергии отталкивания.

Если энергия межэлектронного отталкивания оказывается большей, чем энергия расщепления (лиганд слабого поля), то пять ^/-орбиталей последовательно заполняются сначала по одному, а затем по второму электрону.

Если же энергия расщепления Д превышает энергию межэлектронного отталкивания (лиганд сильного поля), то сначала полностью заполняются орбитали с меньшей энергией, а затем орбитали с большей энергией. По способности вызвать расщепление ^/-уровня лиганды можно расположить в следующий ряд:

Этот ряд, называемый спектрохимическим, был найден в результате экспериментального исследования спектров комплексов и квантово-механических расчетов.

В качестве примера рассмотрим характер распределения Зс/-электронов иона Со 3+ при образовании октаэдрических комплексов 34 . В свободном ионе Со 3+ (3d e) электроны располагаются следующим образом:

Рассчитано, что энергия отталкивания электронов одной и той же орбитали для иона Со 3+ равна 251 кДж/моль, энергия расщепления его 3^/-орбиталей в октаэдрическом поле ионов F - составляет 156 кДж/моль, а в поле молекул NH 3 - 265 кДж/моль.

Таким образом, в поле иона F* значение А невелико, поэтому число непарных электронов на орбиталях расщепленных уровней Со 3 " такое же, как и в свободном ионе (рис. 6).

Рис. 6. Распределение d-электронов иона Со 3+ в октаэдрических комплексах 2+ не вступает во взаимодействие с водой:

Если в системе нет частиц, которые могли бы выступать в роли мостиковых, процесс протекает внешнесферно:

2+ + 3+ = 3+ + 2+ .

Особо необходимо выделить реакции окислиетльного присоединения и восстановтельного элиминирования, рассмотренные в главе 6.

Реакции координированных лигандов. В данную группу реакций входят процессы модификации лигандов, координированных ионом металла. Так, например, дикетонатные комплексы, подобно свободным дикетонам, можно нитровать, ацилировать, галогенировать. Наиболее интересным и необычным примером реакций координированных лигандов является темплатный синтез – своебразный метод «сборки» лиганда на ионе металла. Примером может служить синтез фталоцианинов из нитрила фталевой кислоты, протекающий в присутствии ионов меди(II), и синтез макроциклического основания Шиффа из 2-аминобензальдегида, протекающий на ионах никеля(II):

В отсутствии металла процесс протекает по другому пути, и в реакционной смеси желаемый продукт присутствует лишь в незначительном количестве. Ион металла выступает в темплатном синтезе в качестве матрицы («темплата»), стабилизирующей один из продуктов, находящихся в равновесии друг с другом, и смещающей равновесие в сторону его образования. Например, в реакции X + Y ¾® образуется смесь продуктов A и B, в которой преобладает В, имеющий более низкую энергию. В присутствии иона металла в продуктах реакции преобладает вещество А в виде комплекса с М (Рис. 1.40. Энергетическая диаграмма взаимодействия X и Y в отсутствии иона металла (слева) и в его присутствии (б)).

Вопросы и задания

1. Какие из перечисленных ниже соединений имеют структуру перовскита? BaTiO 3 , LiNbO 3 , LaCrO 3 , FeTiO 3 , Na 2 WO 4 , CuLa 2 O 4 , La 2 MgRuO 6 . Таблица ионных радиусов приведена в Приложении. Имейте в виду, что в сложных оксидных фазах в позициях В могут располагаться катионы двух различных металлов.

2. Воспользовавшись ТКП, определите, прямыми или обращенными будут следующие шпинели: ZnFe 2 O 4 , CoFe 2 O 4 , Co 3 O 4 , Mn 3 O 4 , CuRh 2 O 4 .

3. Тиоцианат-ион SCN – имеет два донорных центра – жесткий и мягкий. Предположите, какое строение будут иметь тиоцианатные комплексы кальция и меди(I). Почему не удается получить роданид меди(II)?

4. Спектр акваиона Cr 2+ (терм основного состояния 5 D) имеет две полосы (Рис. 1.41. Спектр акваиона Cr 2+), хотя среди термов ближайших возбужденных состояний нет ни одного с такой же мультиплетностью. Чем это объясняется? Какую окраску имеет этот ион?

5. Используя приведенные ниже значения Δο, рассчитайте ЭСКП для следующих комплексов в кДж/моль:

(а) 2– , Δο = 15000 см –1 ,

(б) 2+ , Δο = 13000 см –1 ,

(в) 2– , Δο (для 4–)= 21000 см –1 ,

Энергию спаривания примите равной 19000 см –1 , 1кДж/моль = 83 см –1 . Рассчитайте их магнитные моменты (спиновую составляющую).

6. Используя ТКП, объясните, почему ион CN – реагирует с ионом гексаакважелеза (III) с образованием гексацианоферрата(II), а с ионом гесаакваникеля(II) с образованием тетрацианоникелата(II).

7. Ниже приведены константы реакций последовательного замещения воды в аквакомплексе меди(II) на аммиак: K 1 = 2´10 4 , K 2 = 4´10 3 , K 3 = 1´10 3 , K 4 = 2´10 2 , K 5 = 3´10 –1 , K 6 << 1. Чем объясняется трудность вхождения пятой и шестой молекул аммиака в координационную сферу меди?

8. Как изменяется жесткость катионов при движении по 3d-ряду? Согласуется ли это с порядком изменения констант устойчивости комплексов (ряд Ирвинга-Уильямса, рис..1.34).

9. Объясните, почему ион гексаакважелеза (III) бесцветный, а растворы солей железа (III) окрашены.

10. Предложите механизм реакции 3– + 3– = 4– + 2– , если известно, что введение в раствор роданид-иона приводит к изменению скорости реакции, а от присутствия аммиака скорость практически не зависит. Предложите объяснение этим фактам.

И Джоном Ван Флеком для описания низших состояний катионов переходных металлов, окруженных лигандами - как анионами, так и нейтральными молекулами. Теория кристаллического поля была в дальнейшем объединена [и усовершенствована] с теорией (делокализованных) молекулярных орбиталей в более общую, учитывающую частичную ковалентность связи металл-лиганд в координационных соединениях .

Теория кристаллического поля позволяет предсказать или интерпретировать оптические спектры поглощения и спектры электронного парамагнитного резонанса кристаллов и комплексных соединений, а также энтальпий гидратации и устойчивости в растворах комплексов переходных металлов.

Обзор теории кристаллического поля [ | ]

Согласно ТКП, взаимодействие между переходным металлом и лигандами возникает вследствие притяжения между положительно заряженным катионом металла и отрицательным зарядом электронов на несвязывающих орбиталях лиганда. Теория рассматривает изменение энергии пяти вырожденных d -орбиталей в окружении точечных зарядов лигандов. По мере приближения лиганда к иону металла, электроны лиганда становятся ближе к некоторым d -орбиталям, чем к другим, вызывая потерю вырожденности. Электроны d -орбиталей и лигандов отталкиваются друг от друга как заряды с одинаковым знаком. Таким образом, энергия тех d -электронов, которые ближе к лигандам, становится выше, чем тех, которые дальше, что приводит к расщеплению уровней энергии d -орбиталей.

На расщепление влияют следующие факторы:

• Природа иона металла.
• Степень окисления металла. Чем выше степень окисления, тем выше энергия расщепления.
• Расположение лигандов вокруг иона металла.
• Природа лигандов, окружающих ион металла. Чем сильнее эффект от лигандов, тем больше разность между высоким и низким уровнем энергии.

Самый распространённый вид координации лигандов - октаэдрическая , при которой шесть лигандов создают кристаллическое поле октаэдрической симметрии вокруг иона металла. При октаэдрическом окружении иона металла с одним электроном на внешней оболочке d-орбитали разделяются на две группы с разностью энергетических уровней Δ окт (энергия расщепления ), при этом энергия у орбиталей d xy , d xz и d yz будет ниже, чем у d z 2 и d x 2 -y 2 , так как орбитали первой группы находятся дальше от лигандов и испытывают меньшее отталкивание. Три орбитали с низкой энергией обозначаются как t 2g , а две с высокой - как e g .

Следующими по распространённости являются тетраэдрические комплексы, в которых четыре лиганда образуют тетраэдр вокруг иона металла. В этом случае d -орбитали также разделяются на две группы с разностью энергетических уровней Δ тетр. В отличие от октаэдрической координации, низкой энергией будут обладать орбитали d z 2 и d x 2 -y 2 , а высокой - d xy , d xz и d yz . Кроме того, так как электроны лигандов не находятся непосредственно в направлении d -орбиталей, энергия расщепления будет ниже, чем при октаэдрической координации. С помощью ТКП также можно описать плоскоквадратную и другие геометрии комплексов.

Разность энергетических уровней Δ между двумя или более группами орбиталей зависит также от природы лигандов. Некоторые лиганды вызывают меньшее расщепление, чем другие, причины чего объясняет. Спектрохимический ряд - полученный опытным путём список лигандов, упорядоченных в порядке возрастания Δ:

Степень окисления металла также влияет на Δ. Металл с более высокой степенью окисления ближе притягивает лиганды за счёт большей разности зарядов. Лиганды, находящиеся ближе к иону металла, вызывают большее расщепление.

Низко- и высокоспиновые комплексы [ | ]

Лиганды, вызывающие большое расщепление d -уровней, например CN − и CO, называются лигандами сильного поля . В комплексах с такими лигандами электронам невыгодно занимать орбитали с высокой энергией. Следовательно, орбитали с низкой энергией полностью заполняются до того, как начинается заполнение орбиталей с высокой энергией. Такие комплексы называются низкоспиновыми . Например, NO 2 − - лиганд сильного поля, создающий большое расщепление. Все 5 d -электронов октаэдрического иона 3− будут располагаться на нижнем уровне t 2g .

Напротив, лиганды, вызывающие малое расщепление, например I − и Br − , называются лигандами слабого поля . В этом случае легче поместить электроны в орбитали с высокой энергией, чем расположить два электрона в одной орбитали с низкой энергией, потому что два электрона в одной орбитали отталкивают друг друга, и затраты энергии на размещение второго электрона в орбитали выше, чем Δ. Таким образом, прежде чем появятся парные электроны, в каждую из пяти d -орбиталей должно быть помещёно по одному электрону в соответствии с правилом Хунда . Такие комплексы называются высокоспиновыми . Например, Br − - лиганд слабого поля, вызывающий малое расщепление. Все 5 d -орбиталей иона 3− , у которого тоже 5 d -электронов, будут заняты одним электроном.

Энергия расщепления для тетраэдрических комплексов Δ тетр примерно равна 4/9Δ окт (для одинаковых металла и лигандов). В результате этого разность энергетических уровней d -орбиталей обычно ниже энергии спаривания электронов, и тетраэдрические комплексы обычно высокоспиновые.

Диаграммы распределения d -электронов позволяют предсказать магнитные свойства координационных соединений. Комплексы с непарными электронами являются парамагнитными и притягиваются магнитным полем, а без - диамагнитными и слабо отталкиваются.

Энергия стабилизации кристаллическим полем [ | ]

Энергия стабилизации кристаллическим полем (ЭСКП) - энергия электронной конфигурации иона переходного металла относительно средней энергии орбиталей. Стабилизация возникает вследствие того, что в поле лигандов энергетический уровень некоторых орбиталей ниже, чем в гипотетическом сферическом поле, в котором на все пять d -орбиталей действует одинаковая сила отталкивания, и все d -орбитали вырождены. Например, в октаэдрическом случае уровень t 2g ниже, чем средний уровень в сферическом поле. Следовательно, если в данных орбиталях находятся электроны, то ион металла более стабилен в поле лигандов относительно сферического поля. Наоборот, энергетический уровень орбиталей e g выше среднего, и электроны, находящиеся в них, уменьшают стабилизацию.

Энергия стабилизации октаэдрическим полем

В октаэдрическом поле три орбитали t 2g стабилизированы относительно среднего энергетического уровня на 2 / 5 Δ окт, а две орбитали e g дестабилизированы на 3 / 5 Δ окт. Выше были приведены примеры двух электронных конфигураций d 5 . В первом примере - низкоспиновый комплекс 3− с пятью электронами в t 2g . Его ЭСКП составляет 5 × 2 / 5 Δ окт = 2Δ окт. Во втором примере - высокоспиновый комплекс 3− с ЭСКП (3 × 2 / 5 Δ окт) − (2 × 3 / 5 Δ окт) = 0. В этом случае стабилизирующий эффект электронов в низкоуровневых орбиталях нейтрализуется дестабилизирующим эффектом электронов в высокоуровневых орбиталях.

Диаграммы расщепления d-уровня кристаллическим полем [ | ]

октаэдрическая	пентагонально-бипирамидальная	квадратно-антипризматическая