Chapter 20: Transition Metals and Coordination Complexes

Back to chapter

20.10:

الألوان والمغناطيسية

JoVE Core
Química

É necessária uma assinatura da JoVE para visualizar este conteúdo. Faça login ou comece sua avaliação gratuita.

JoVE Core Química

Colors and Magnetism

Vídeo Anterior
20.9: Crystal Field Theory – Tetrahedral and Square Planar Complexes

Idiomas

COMPARTILHAR

English العربية 中文 Nederlands français Deutsch עברית italiano 日本語 한국어 português русский español Türkçe

تُظهر معقّدات الفلزات الانتقالية مجموعة ألوان مختلفة،تُعزى إلى امتصاص هذه المركبات موجات من الضوء المرئي بأطوال معينة. يتم امتصاص الضوء عندما تتوفر الطاقة اللازمة لإثارة إلكترون من مستوى طاقة متدني إلى مستوى أعلى. بالتالي،فإن معقّدات الفلزات الانتقالية عمومًا،تمتص الضوء بما يعادل طاقة تقسيم المجال البلوري،أو دلتا،للمركب،الموجودة عادة في مجال الضوء المنظور.على سبيل المثال،هيكسافلوروكابلتيت(III)يمتص الضوء الأحمر بشدة لكنه،يمتص الضوء الأخضر بنسبة ضئيلة،مما يجعله يظهر باللون الأخضر،هيكساأمينوكوبالتيت(III)الذي يمتاز بدلتا أعلى،يمتص بشدة الضوء الأزرق ذو الطاقة العالية،لكنه يمتص الضوء الأصفر بنسبة ضئيلة. وبالتالي يظهر هيكساأمينوكوبالتيت(III)باللون الأصفر. لا تقتصر تاثيرات تدني قيمة دلتا في هيكسافلوروكوبالتيت(III)على تحديد لونه.عندما تكون قيمة دلتا متدنية بما يكفي،كما في هيكسافلوروكوبالتيت(III)تتمركز الإلكترونات منفردة في المدارات ذوات الطاقة المرتفعة،قبل أن تشكل أزواجًا في المدارات ذوات الطاقة المتدنية. قيمة دلتا هنا أصغر،مقارنة بطاقة الدوران-المغزلي-و هي طاقة التنافر الكهروسكوني بين الإلكترونات في المدار ذاته. وعليه،يكون عمليًا أكثر،من حيث الطاقة،أن تتغلب الإلكترونات على دلتا،وتحتل مدارات ذات طاقة مرتفعة،من أن تتغلب على طاقة الدوران المغزلي،لتشكل أزواجًا في المدارات ذات الطاقة المتدنية.وعلى العكس،تكون قيمة دلتا في هيكساأمينوكوبالتيت(III)أعلى من طاقة الدوران المغزلي. بالتالي،تشكل الإلكترونات أزواجًا في المدارات ذات الطاقة المتدنية،تاركة المدارات ذات الطاقة المرتفعة شاغرة،كما هو مُتوقع من قاعدة هوند. من تبعات هذا الاختلاف في توزيع الإلكترونات،بينما يحتوي أيون الكوبالت Co(III)على أربعة إلكترونات في هيكسافلوروكوبالتيت(III)فإنه يحتوي على صفر من الإلكترونات غير المقترنة في هيكساأمينوكوبالت(III)ونتيجة لذلك،يُصنف المركب الأول على أنه مركب دوران عالي،ويُصنف الآخر على أنه مركب دوران منخفض.بشكل عام،تؤدي الربيطات ضعيفة المجال،التي ترتبط بقيم متدنية لدلتا،إلى تكوين معقّدات الدوران العالي،فيما تؤدي الربيطات قوية المجال،التي تمتاز بقيم مرتفعة لدلتا،إلى تكوين معقّدات الدوران المنخفض. معقّدات الدوران العالي والمنخفض،قد تُظهر خصائص مغناطيسية مختلفة جدًا. على سبيل المثال،معقّد الدوران العالي هيكسافلوروكوبالتيت(III)يجذبه المغناطيس بسبب إلكتروناته غير المقترنة في أزواج ويُسمى بارامغناطيسي.بينما معقّد الدوران المنخفض هيكساأمينوكوبالت(III)يتنافر مع المغناطيس،ويُصنّف بأنه ذو مغناطيسية معاكسة.

20.10:

الألوان والمغناطيسية

اللون في مركبات التنسيق

عندما تمتص الذرات أو الجزيئات الضوء بالتردد المناسب، تُثار إلكتروناتها في مدارات ذات طاقة أعلى. بالنسبة للعديد من الذرات والجزيئات الرئيسية، تكون الفوتونات الممتصة في نطاق الأشعة فوق البنفسجية من الطيف الكهرومغناطيسي، والذي لا يمكن اكتشافه بالعين البشرية. بالنسبة لمركبات التنسيق، فإن فرق الطاقة بين المدارات d غالباً ما يسمح بامتصاص وانبعاث الفوتونات في النطاق المرئي، والذي تراه العين البشرية على أنه ألوان.

الشكل 1. الطيف الكهرومغناطيسي للضوء المرئي والامتصاص.

يمكن أن تؤدي التغييرات الصغيرة في الطاقات النسبية للمدارات التي تنتقل الإلكترونات بينها إلى تحولات جذرية في لون الضوء الممتص. لذلك فإن ألوان مركبات التنسيق تعتمد على العديد من العوامل مثل:

• يمكن أن يكون للأيونات المعدنية المائية المختلفة ألوان مختلفة.
• حالات الأكسدة المختلفة لمعدن واحد يمكن أن تنتج ألواناً مختلفة.
• تؤثر ربيطات تنسيقية محدّدة مع المركز المعدني على لون مركبات التنسيق. على سبيل المثال، يظهر مركب الحديد (II) [Fe(H₂O)₆]SO₄ باللون الأزرق المخضر لأن الدوران العالي للمركب يمتص الفوتونات في الأطوال الموجية الحمراء. في المقابل، يظهر مركب الحديد (II) منخفض الدوران K₄[Fe(CN)₆] لوناً أصفر شاحب لأنه يمتص فوتونات بنفسجية عالية الطاقة.

بشكل عام، تسبب ربيطات المجال القوي انقساماً كبيراً في مدارات d لذرة المعدن المركزية (كبير Δ). تكون مركبات تنسيق المعادن الانتقالية مع هذه الروابط صفراء أو برتقالية أو حمراء لأنها تمتص طاقة أعلى من الضوء البنفسجي أو الأزرق.

من ناحية أخرى، غالباً ما تكون مركبات التنسيق للمعادن الانتقالية ذات ربيطات المجال الضعيف هي الأزرق والأخضر أو الأزرق أو النيلي لأنها تمتص الضوء الأصفر أو البرتقالي أو الأحمر ذي الطاقة المنخفضة. يتم وضع قوة الربيطات لتقسيم مدارات d في السلسلة الطيفية. هنا تتم كتابة الربيطات في القيمة المتزايدة لطاقة تقسيم المجال البلوري (Δ).

الشكل 2. سلسلة الطيف الكيميائي.

على سبيل المثال، يحتوي مركب التنسيق لأيون Cu⁺ ion على تكوين d¹⁰ وجميع مدارات e_g تكون مملوءة. لإثارة إلكترون إلى مستوى أعلى، مثل المدار 4p، يلزم وجود فوتونات ذات طاقة عالية جداً. تتوافق هذه الطاقة مع أطوال موجية قصيرة جداً في منطقة الأشعة فوق البنفسجية من الطيف. لا يتم امتصاص الضوء المرئي، لذلك لا ترى العين أي تغيير، ويظهر المركب أبيض أو عديم اللون. المحلول الذي يحتوي على [Cu(CN)₂]⁻، على سبيل المثال، يكون عديم اللون. من ناحية أخرى، فإن مجمعات ثماني السطوح Cu²⁺ بها مكان شاغر في مدارات eg، ويمكن أن تثار الإلكترونات هذا المستوى. يتوافق الطول الموجي (الطاقة) للضوء الممتص مع الجزء المرئي من الطيف، وتكون مجمعات Cu²⁺ دائماً ملونة تقريباً— بالأزرق، البنفسجي، الأزرق المخضر أو الأصفر.

المغناطيسية في مجمعات التنسيق

يدعم الدليل التجريبي للقياسات المغناطيسية نظرية المجمعات عالية ومنخفضة الدوران. الجزيئات مثل O₂ التي تحتوي على إلكترونات غير مقترنة هي جزيئات مغناطيسية. المواد البارامغنطيسية تنجذب إلى المجالات المغناطيسية. تحتوي العديد من المجمعات المعدنية الانتقالية على إلكترونات غير متزاوجة، وبالتالي فهي ذات مغناطيسية متوازية. جزيئات مثل N₂ وأيونات مثل Na⁺ و [Fe(CN)₆]⁴⁻ التي لا تحتوي على إلكترونات غير متزاوجة تكون مغناطيسية. المواد ذات النفاذية المغناطيسية تميل بشكل طفيف إلى أن تصدها المجالات المغناطيسية.

الشكل 3. المخططات المدارية للمجمعات ثمانية السطوح في حالة الدوران العالية والمنخفضة لأنظمةـ d⁴, d⁵, d⁶, و d⁷. لا يمكن إجراء هذا التمييز لأنظمة d¹, d², d³, d⁵, d⁸,d⁹ و d¹⁰ .

عند عدم ازدواج إلكترون في ذرة أو أيون، فإن العزم المغناطيسي الناتج عن دورانه يجعل الذرة أو الأيون كلها متوازنة. حجم العزم المغناطيسي لنظام يحتوي على إلكترونات غير مقترنة يرتبط ارتباطاً مباشراً بعدد هذه الإلكترونات: كلما زاد عدد الإلكترونات غير المزدوجة، زاد العزم المغناطيسي. لذلك، يتم استخدام العزم المغناطيسي الملحوظ لتحديد عدد الإلكترونات غير المزدوجة الموجودة. يؤكد العزم المغناطيسي المقاس للدوران المنخفض لـ d⁶ [Fe(CN)₆]⁴⁻ بأن الحديد ثنائي مغناطيسي، في حين أن الدوران العالي لـ d⁶ [Fe(H₂O)₆]²⁺ لأربعة إلكترونات غير مقترنة بعزم مغناطيسي يؤكد هذا الترتيب (الشكل 2).

هذا النص مقتبس من Openstax, Chemistry 2e, Section19.3: Spectroscopic and Magnetic Properties of Coordination Compounds.

Tags

Colors Magnetism Transition Metal Complexes Absorption Visible Light Energy Levels Crystal Field Splitting Energy Delta Hexafluorocobaltate(III)Hexaamminecobalt(III)Electron Pairing Orbitals