Back to chapter

20.9:

Complexen

JoVE Core
Chemistry
A subscription to JoVE is required to view this content.  Sign in or start your free trial.
JoVE Core Chemistry
Crystal Field Theory – Tetrahedral and Square Planar Complexes

Languages

Share

Kristalveldtheorie kan worden gebruikt om tetraëdrische en vierkante vlakke overgangsmetaalcomplexen te modelleren op een analoge manier als de toepassing van deze theorie in octaëdrische complexen. Om bijvoorbeeld het tetraëdrische tetrachloronikkelaat(II)ion te modelleren, wordt elke chlorideligand vervangen door een negatieve puntlading, wat resulteert in een tetraëdrisch kristalveld. Door de invloed van dit veld zijn de dxy-dyz-en dxz-orbitalen hoger in energie dan de dx²-y²-en dz²-orbitalen.Dit wordt toegeschreven aan de sterkere interactie tussen het tetraëdrische kristalveld en de dxy-dyz-en dxz-orbitalen. De orbitalen met hogere energie bezitten t₂-symmetrie en worden de t₂-reeks genoemd, terwijl de orbitalen met lagere energie e-symmetrie hebben en de e-reeks vormen. In vergelijking met de splitsing van de d-orbitalen in octaëdrische complexen, zijn de relatieve energieën van de orbitalen in tetraëdrische complexen omgekeerd en is de splitsingsenergie van het kristalveld, of Δtet, lager.In vierkante vlakke complexen zoals het tetracyanonickelaat(II)ion, liggen alle liganden in het xy-vlak. Hier wordt een vierkant vlak kristalveld verkregen door de cyanideliganden te vervangen door negatieve puntladingen. Onder invloed van dit veld worden de d-orbitalen van het metaalion opgesplitst in vier verschillende energieniveaus.Hier is de dx²-y²-orbitaal de hoogste energie-orbitaal en heeft lobben die direct naar de ligandladingen wijzen. De dxy-orbitaal is de volgende in energie met lobben die in hetzelfde vlak liggen als de ligandladingen. De dz²-orbitaal is nog lager in energie, toegeschreven aan een kleine overlap tussen de dz²-orbitaal en het kristalveld in het xy-vlak.De orbitalen met de laagste energie, dxz en dyz, hebben een relatief minimale interactie met het kristalveld. De kristalveldsplitsingsenergie in vierkante vlakke complexen, of Δsp, wordt gedefinieerd als het energieverschil tussen de orbitaal met de hoogste energie, dx² y², en de orbitalen met de laagste energie, dyz en dxz. Ervan uitgaande dat alle complexen hetzelfde metaalion en dezelfde ligandmoleculen hebben, is de verhouding Δtet, Δsp en Δoct 0, 44:1, 7:1.

20.9:

Complexen

Tetrahedral Complexes

Crystal field theory (CFT) is applicable to molecules in geometries other than octahedral. In octahedral complexes, the lobes of the dx2−y2 and dz2 orbitals point directly at the ligands. For tetrahedral complexes, the d orbitals remain in place, but with only four ligands located between the axes. None of the orbitals points directly at the tetrahedral ligands. However, the dx2y2 and dz2 orbitals (along the Cartesian axes) overlap with the ligands less than the dxy, dxz, and dyz orbitals. By analogy with the octahedral case,the energy diagram for the d orbitals in a tetrahedral crystal field can be predicted as shown in Figure 1. To avoid confusion, the octahedral eg set becomes a tetrahedral e set, and the octahedral t2g set becomes a t2 set.

Image1

Figure 1. Splitting of the d orbitals of the metal ion under octahedral and tetrahedral crystal fields. In comparison to the octahedral crystal field, the splitting pattern in the tetrahedral crystal field is inverted. The crystal field splitting energy of the octahedral complex, or Δoct, is larger than the crystal field splitting energy of tetrahedral complex, Δtet .

Since CFT is based on electrostatic repulsion, the orbitals closer to the ligands will be destabilized and raised in energy relative to the other set of orbitals. The splitting is less than for octahedral complexes because the overlap is less, so the crystal field splitting energy, or Δtet is usually small.

Square Planar Complexes

The other common geometry is square planar. It is possible to consider a square planar geometry as an octahedral structure with a pair of trans ligands removed. The removed ligands are assumed to be on the z-axis. This changes the distribution of the d orbitals, as orbitals on or near the z-axis become more stable, and those on or near the x- or y-axes become less stable. This results in the octahedral t2g and the eg sets splitting and gives a more complicated splitting pattern (Figure 2).

Image2

Figure 2. Splitting of the t2g set and the eg set of orbitals in a square planar crystal field. The crystal field splitting energy of square planar complexes, or Δsp, is larger than Δoct.

This text is adapted from Openstax, Chemistry 2e, Section 19.3: Spectroscopic and Magnetic Properties of Coordination Compounds.