Back to chapter

20.9:

תאוריית שדות הקריסטל- קומפלקסים טטרהדרליים ומרובעים מישוריים

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

תאוריית שדה הגביש יכולה לשמש כדי למדל קומפלקסים מרובעים ומישוריים-מרובעים של מתכות מעבר באופן מקביל ליישום תאוריה זו בתרכובות אוקטהדרליות. לדוגמה, כדי לבנות מודל יון של הקומפלקס הטטרהדרלי טטרכולורניקלאט, כל ליגנדת כלור מוחלפת במטען נקודתי שלילי, מה שיוצר שדה גביש טטרהדרלי. בשל ההשפעה על שדה זה, אורביטלי dxy, dyz ו-dxz הם בעלי אנרגיה גבוהה יותר מאשר אורביטלי dx²-y² ו-dz².זה מיוחס לאינטראקציה החזקה יותר בין שדה הגביש הטטרהדרלי ואורביטלי dxy, dyz ו-dxz. האורביטלים בעלי האנרגיה הגבוהה יותר מאופיינים בסימטריית t₂ ומכונים סט t₂ בעוד שהאורביטלים בעלי האנרגיות הנמוכות יותר מאופיינים בסימטריית e ומהווים את סט e. בהשוואה לפיצול של אורביטלי d בתרכובות אוקטהדרליות, האנרגיות היחסיות של האורביטלים בתרכובות טטרהדרליות הן הפוכות ואנרגיית הפיצול של שדה הגביש, או Δtet, נמוכה יותר.בתרכובות מישוריות-מרובעות כמו יון טטרציאנוניקלאט כל הליגנדות נמצאות במישור xy. כאן שדה גביש מישורי-מרובע מושג באמצעות החלפת ליגנדות של ציאניד במטענים נקודותיים שליליים. תחת השפעתו של שדה זה, אורביטלי d של יון המתכת מתפצלים לארבע רמות אנרגיה שונות.כאן אורביטל dx²-y² הוא האורביטל בעל האנרגיה הגבוהה יותר והוא מאופיין באונות המצביעות למטעני הליגנדות. אורביטל dxy הוא הבא בתור מבחינת האנרגיה, והאונות שלו נמצאות באותו מישור כמו מטעני הליגנדות. אורביטל dz² הוא בעל אנרגיה נמוכה עוד יותר, המיוחסת לחפיפה קטנה בין אורביטל dz² ושדה הגביש במישור xy.סט האורביטלים בעלי האנרגיה הנמוכה יותר, dxz ו-dyz, מקיים אינטראקציות מינימליות יחסית עם שדה הגביש. אנרגיית הפיצול של שדה הגביש בתרכובות מרובעות-מישוריות, או Δsp, מוגדרת כהפרש האנרגייה בין האורביטל עם האנרגיה הכי גבוהה, dx²-y², והאורביטלים בעלי האנרגיה הכי נמוכה, dyz ו-dxz. בהנחה שאותו יון מתכת ואותן מולקולות ליגנדות נמצאות בכל הקומפלקסים, היחס בין דלתא tet, דלתא sp ודלתא oct הוא 0.44:1.7:1.

20.9:

תאוריית שדות הקריסטל- קומפלקסים טטרהדרליים ומרובעים מישוריים

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.