《晶体场理论》PPT课件.ppt

1923 1935年贝特和范弗莱克提出晶体场理论 晶体场理论认为 络合物中中心原子和配位体之间的相互作用 主要来源于类似离子晶体中正负离子之间的静电作用 这种场电作用将影响中央离子的电子层结构 特别是d结构 而对配体不影响 一 d轨道的能级分裂 二 d轨道中电子的排布 高自旋态和低自旋态 三 晶体场稳定化能 四 络合物畸变和姜 泰勒效应 一 d轨道的能级分裂 1 自由的过渡金属离子或原子d轨道图象 角度分布图 2 d轨道能级的分裂 静电作用对中央离子电子层的影响主要体现在配位体所形成的负电场对中心d电子起作用 从而使原来简并的5个d轨道变成能级并不相同 即所谓消除d轨道的简并 这种现象叫d轨道的能级在配位场中发生了分裂 对于不同的配位场 d轨道分裂的情况是不同的 M的d轨道角度分布图 晶体场中d轨道能级分裂 正八面体配位场 在正八面体络合物中 金属离子位于八面体中心 六个配位体分别沿着三个坐标轴正负方向接近中央离子 分析 电子云极大值正好与配位体迎头相撞 受到较大的推斥 使轨道能量升高较多 另三个d轨道的电子云极大值正好插在配位体之间 受到推斥力较小 总之 由于八面体配位物的作用 使中央d轨道分裂成两组 一组 d x2 y2 dz2能量较高 记为eg二组 dxy dxz dyz能量较低 记为t2g令E eg E t2g 10Dq 量子力学指出 分裂后的五个d轨道的能量等于d轨道在球形场中的能量Es 习惯将Es取作0点 则有 E eg E t2g 10Dq2E eg 3E t2g 0 E eg 6Dq E t2g 4Dq 如下图所示 d轨道在oh场中轨道能级的分裂图 在八面体场中 d轨道分裂的结果是 与Es相比 eg轨道能量上升了6Dq 而t2g轨道能量下降了4Dq 正四面体 立方体的中心是金属离子 八个角上每隔一个角上放一个配位体 即可得正四面体络合物 如下图所示 d x2 y2 dxy 在四面体场中d轨道也分裂成两组 在其它条件相同时 可以证明 则有 如下面的d轨道能级分裂图 Td场中d轨道能级的分裂图 在四面体场中 d轨道分裂结果是 相对Es而言 t2轨道能量上升了1 78Dq 而e轨道下降了2 67Dq 平面正方形 平面正方形中的d x2 y2 和dxy轨道 在正方形场中轨道能级的分裂图 极大值与配体迎头相撞 能量最高 dxy极大值在xy平面内 能量次之有一极值xy在面内 能量更低dxz dyz不在xy平面内 能量最低 二 分裂后d轨道中电子的排布 高自旋态和低自旋态 d轨道分裂前 在自由金属离子中 5个d轨道是简并的 电子的排布按洪特规则 分占不同轨道 且自旋平行 有唯一的一种排布方式 d轨道分裂后 在络合物中 金属离子的d电子排布将有两种情况 高自旋态排布和低自旋态排布 这与分裂能和成对能的大小有关 本节内容的要点 分裂能 成对能 分裂后d轨道中电子的排布 4 络合物的紫外可见光谱 1 分裂能 高能的d轨道与低能的d轨道的能量之差叫分裂能 在八面体络合物中 电子由t2g eg E eg E t2g 分裂能的大小可由光谱数据推得 20300cm 1 某些八面体络合物的 值 波数cm 常见的分裂能见下表 某些四面体络合物的 值 波数cm 从表中的实验数据来看 一般说有 10000cm 1 0 30000cm 1 这样的d d跃迁常常发生在可见光或紫外区 从表中的实验数据来看 相应络合物中的 t值 显然比 0的值小的多 2 决定值大小的两个因素 a 配位体b 中心离子 总结大量的光谱实验数据和理论的研究结果 得到下列三条经验规律 当中央离子固定时 值随配位体而改变 大致顺序为 I Br Cl SCN F OH NO2 硝基 HCOO C2O24 H2O EDTA 吡啶 NH3 乙二胺 二乙三胺 SO2 3 联吡啶 邻蒽菲 NO2 CN 称为光谱化学序列 即配位场强的顺序 几乎和中央离子无关 当配位体固定时 值随中心离子而改变 A 中央离子电荷愈高时 值愈大 Co H2O 62 0 9300cm 1Co H2O 63 0 18600cm 1 B 含d电子层的主量子数愈大 也愈大 Co NH3 3 6 主量子数n 4 0 23000cm 1Rh NH3 3 6 主量子数n 5 0 33900cm 1 值随电子给予体的原子半径的减少而增大 I Br S F O N C 总之有 在 Co CN 6 3 中 6个 CN f 1 7 Co3 g 18200cm 1 1 7 18200cm 1 30940cm 1实验值为34000cm 1 2 成对能 迫使原来平行的分占两个轨道的电子挤到同一轨道所需的能量叫成对能 用P表示 电子在分裂后d轨道中的排布与 和P的相对大小有关 如 对于d2组态 有两种排布方式 3 分裂后d轨道中电子的排布 Ea E0 E0 2E0 Eb E0 E0 P 2E0 P 若 P 则 a 稳定弱场时高自旋排布稳定 若 P 则 b 稳定强场时低自旋排布稳定 对于组态也类似 这个结论得到了络合物磁性测定的证实 现列于表3 1 3中 表某些八面体络合物的自旋状态 八面体络合物中d电子的排布 当 0 P时 即强场的情况下 电子尽可能占据低能的t2g轨道 注意 d1 d2 d3 d8 d9和d10无高低自旋之分 仅d4 d5d6和d7有 当 0 P时 即弱场的情况下 电子尽可能分占五个轨道 2 四面体络合物中d电子的排布 在相同的条件下 d轨道在四面体场作用下的分裂能只是八面体作用下的4 9 这样分裂能是小于成对能的 因而四面体络合物大多是高自旋络合物 d电子的具体排布情况如下 小结 分裂能大于成对能 低自旋排布分裂能小于成对能 高自旋排布强场L 高价M低自旋弱场L 低价M高自旋四面体络合物一般是高自旋的CN 的络合物一般是低自旋的卤化物 络合物 一般是高自旋的 4 络合物的紫外可见光谱 由于络合物中的d轨道能级有高低之分 可发生d d跃迁 实验结果表明 值的大小是在10000 1 30000cm 1之间 可估计频率在近紫外和可见光谱区 所以过渡金属络合物一般都有颜色 而颜色的变化显然与 值有关 Fe H2O 6 3 和 Fe H2O 6 2 的 值分别为13700cm 1和10400cm 1故在浓度相同时前者的颜色比后者要偏红 配合物的颜色 d d跃迁光谱若吸收的是可见光 配合物显补色 三 晶体场稳定化能 定义 d电子从未分裂的d轨道进入分裂的d轨道所产生的总能量下降值 称为晶体场稳定化能 并用CFSE表示 CSFE越大 络合物也就越稳定 在八面体络合物中 只要在t2g轨道上有一个电子 总能量就降低4Dq 在eg轨道上有一电子 总能量就升高6Dq 同样 在四面体络合物中 只要在e轨道上有一个电子 总能量就下降 3 5 4 9 10Dq 而在t2轨道上有一个电子 总能量升高 2 5 4 9 10Dq CSFE的计算 在弱八面体场中 d电子取高自旋 d6为 CSFE 4 4Dq 2 6Dq 4Dq t2g 4 eg 2 如图 在强八面体场中 d电子取低自旋 CFSE 6 4Dq 2P 24Dq 2P d6为 t2g 6 eg 0 如图 在四面体场中 均为弱场高自旋 d6为e3t23 如图 3 络合物的热力学稳性 用CFSE可解释放络合物热学稳定性的事实 以第一系列过渡元素二价离子的水合物 M H2O 6 2 的水化 H 为例 M Ca2 Zn2 d d0 d10 核电荷增加 3d电子壳缩小 H循序上升 成平滑曲 但实验得到的是曲线 如下图 d1 d2 d3 d4 d5 d6 d7 d8 d9 d10 总之 在弱八面场的作用下 高自旋络合物的热力学稳定性有下列次序 M H2O 6 2 是弱八面体场 高自旋态 d1 d3填入t2g CSFE逐渐增大 故水化热比虚线高 d4 d5填入高能的eg轨道 CFSE逐渐降低 水化能相应减少 d6 d10重复以上规律 故呈双峰线 原因 1937年 姜和泰勒指出 在对称的非线性分子中 如果一个体系的状态有几个简并能级 则是不稳定的 体系一定要发生畸变 使一个能级降低 一个能级升高 消除这种简并性 这就是关于络合物发生变形的姜 泰效应 四 络合物的畸变和姜 泰勒效应 1 姜 泰勒效应 实验证明 配位数为六的过渡金属络合物并非都是正八面体 d10结构的络合物应是理想的正八面体构型 而d9 则不是正八面体 这里有可能出现两种排布情况 2 络合物的畸变 由d10 d9时 若去掉的是 dx2 y2 电子 则d9的结构为 t2g 6 dz2 2 dx2 y2 1 这样就减少了对x y轴配位体的推斥力 从而 x y上四个配体内移 形成四个较短的键 结果是四短键两个长键 因为四个短键上的配体对dx2 y2斥力大 故dx2 y2能级上升 dz2能级下降 这就使得原简并的eg一个上升 一个下降 如图 a 若去掉的是 dz2 1电子 则d9的结构为 t2g 6 dx2 y2 2 dz2 1 减小了对 z上两个配体的斥力 使 z的两个配体内移 形成两个短键 四个长键 结果dz2轨道能级上升 dx2 y2轨道能级下降 消除了简并性 如图 b 详细的计算和