Back to chapter

20.10:

Kleuren en Magnetisme

JoVE Core
Chemistry
A subscription to JoVE is required to view this content.  Sign in or start your free trial.
JoVE Core Chemistry
Colors and Magnetism

Languages

Share

Overgangsmetaalcomplexen vertonen een verscheidenheid aan verschillende kleuren, toegeschreven aan de absorptie van specifieke golflengten van zichtbaar licht door deze verbindingen. Licht wordt geabsorbeerd wanneer het de benodigde energie heeft om een elektron van een lager energieniveau naar een hoger te prikkelen. Dientengevolge absorberen overgangsmetaalcomplexen in het algemeen licht dat overeenkomt met de splitsingsenergie van het kristalveld, of delta, van het complex, dat typisch in het bereik van zichtbaar licht ligt.Hexafluorkobaltaat(III)absorbeert bijvoorbeeld sterk rood licht, maar absorbeert minimaal groen licht, waardoor het groen van kleur lijkt. Hexaamminekobalt(III)dat een hogere delta heeft, absorbeert sterk blauw licht met hoge energie, maar absorbeert minimaal geel licht. Dienovereenkomstig lijkt hexaamminekobalt(III)geel van kleur.De effecten van de kleinere delta van hexafluorkobaltaat(III)zijn niet beperkt tot de kleur. Wanneer de delta laag genoeg is, zoals in hexafluorkobaltaat(III)bezetten elektronen afzonderlijk de hoger-energetische orbitalen voordat ze paren in de lager-energetische orbitalen. Hier is delta kleiner in vergelijking met de energie van spin-pairing de energie van de elektrostatische afstoting tussen elektronen in dezelfde baan.Als zodanig is het energetisch meer haalbaar voor elektronen om delta te overwinnen en hoogenergetische orbitalen te bezetten dan om de spin-pairing-energie te overwinnen om in de laagenergetische orbitalen te paren. Daarentegen is in hexaamminekobalt(III)de delta groter dan de spin-pairing-energie. Dienovereenkomstig paren elektronen in de orbitalen met lagere energie, waardoor de orbitalen met hogere energie leeg blijven, zoals verwacht op basis van de regel van Hund.Als gevolg van dit verschil in elektronische distributie, terwijl het Co(III)ion vier ongepaarde elektronen heeft in hexafluorkobaltaat(III)heeft het nul ongepaarde elektronen in hexaamminekobalt(III)Dienovereenkomstig wordt het eerste geclassificeerd als een hoge-spin-complex en wordt het tweede als een lage-spin-complex bestempeld. Over het algemeen leiden liganden met een zwak veld, die worden geassocieerd met kleine waarden van delta, tot complexen met hoge spin, terwijl liganden met een sterk veld, die hoge waarden van delta bevorderen, complexen met lage spin vormen. Complexen met hoge spin en lage spin kunnen zeer verschillende magnetische eigenschappen vertonen.Het hexafluorkobaltaat(III)met hoge spin wordt bijvoorbeeld aangetrokken door een magneet vanwege zijn ongepaarde elektronen en wordt paramagnetisch genoemd. Ondertussen wordt het lage-spin hexaamminekobalt(III)afgestoten door een magneet en bestempeld als diamagnetisch.

20.10:

Kleuren en Magnetisme

Color in Coordination Complexes

When atoms or molecules absorb light at the proper frequency, their electrons are excited to higher-energy orbitals. For many main group atoms and molecules, the absorbed photons are in the ultraviolet range of the electromagnetic spectrum, which cannot be detected by the human eye. For coordination compounds, the energy difference between the d orbitals often allows photons in the visible range to be absorbed and emitted, which is seen as colors by the human eye.

Image1

Figure 1. Electromagnetic spectrum of visible light and absorbance.

Small changes in the relative energies of the orbitals that electrons are transitioning between can lead to drastic shifts in the color of light absorbed. Therefore, the colors of the coordination compounds depend on many factors, like:

•  Different aqueous metal ions can have different colors.
•  Different oxidation states of one metal can produce different colors.
•  Specific ligands coordinated to the metal center influence the color of coordination complexes. For example, the iron(II) complex [Fe(H2O)6]SO4 appears blue-green because the high-spin complex absorbs photons in the red wavelengths. In contrast, the low-spin iron(II) complex K4[Fe(CN)6] appears pale yellow because it absorbs higher-energy violet photons.

In general, strong-field ligands cause a large split in the energies of d orbitals of the central metal atom (large Δ). Transition metal coordination compounds with these ligands are yellow, orange, or red because they absorb higher-energy violet or blue light.

On the other hand, coordination compounds of transition metals with weak-field ligands are often blue-green, blue, or indigo because they absorb lower-energy yellow, orange, or red light. The strength of the ligands to split the d orbitals are listed in the spectrochemical series. Here the ligands are written in the increasing value of crystal field splitting energy (Δ).

Image2

Figure 2. Spectrochemical series.

For example, a coordination compound of the Cu+ ion has a d10 configuration, and all the eg orbitals are filled. To excite an electron to a higher level, such as the 4p orbital, photons of very high energy are necessary. This energy corresponds to very short wavelengths in the ultraviolet region of the spectrum. No visible light is absorbed, so the eye sees no change, and the compound appears white or colorless. A solution containing [Cu(CN)2], for example, is colorless. On the other hand, octahedral Cu2+ complexes have a vacancy in the eg orbitals, and electrons can be excited to this level. The wavelength (energy) of the light absorbed corresponds to the visible part of the spectrum, and Cu2+ complexes are almost always colored—blue, blue-green violet, or yellow.

Magnetism in Coordination Complexes

Experimental evidence of magnetic measurements supports the theory of high- and low-spin complexes. Molecules such as O2 that contain unpaired electrons are paramagnetic. Paramagnetic substances are attracted to magnetic fields. Many transition metal complexes have unpaired electrons and hence are paramagnetic. Molecules such as N2 and ions such as Na+ and [Fe(CN)6]4− that contain no unpaired electrons are diamagnetic. Diamagnetic substances have a slight tendency to be repelled by magnetic fields.

Image3

Figure 3. Orbital diagrams of the octahedral complexes in the high and low spin state for the d4, d5, d6, and d7 systems. This distinction can not be made for d1, d2, d3, d5, d8,d9 and d10 systems.

When an electron in an atom or ion is unpaired, the magnetic moment due to its spin makes the entire atom or ion paramagnetic. The size of the magnetic moment of a system containing unpaired electrons is related directly to the number of such electrons: the greater the number of unpaired electrons, the larger the magnetic moment. Therefore, the observed magnetic moment is used to determine the number of unpaired electrons present. The measured magnetic moment of low-spin d6 [Fe(CN)6]4− confirms that iron is diamagnetic, whereas high-spin d6 [Fe(H2O)6]2+ has four unpaired electrons with a magnetic moment that confirms this arrangement (Figure 2).

This text is adapted from Openstax, Chemistry 2e, Section19.3: Spectroscopic and Magnetic Properties of Coordination Compounds.