Теория кристаллического поля. Модели химической связи

Теория кристаллического поля (ТКП) является развитием простой электростатической теории образования комплексов. Она лучше всего применима к соединениям d- элементов и является наиболее простой моделью, позволяющей достаточно просто объяснить их свойства. Согласно теории

связь в комплексе осуществляется за счет электростатического взаимодействия между положительно заряженным центральным атомом и отрицательно заряженными лигандами. Лиганд рассматривается только как источник заряда (кристаллического поля), тогда как для центрального атома учитывается пространственное расположение d-орбиталей .

Первоначально ТКП была применена для объяснения свойств кристаллических веществ и отсюда получила название. Однако она равно применима к любым системам геометрически правильно расположенных электрически взаимодействующих частиц, например к отдельному комплексному иону .

Геометрическое строение комплексно частицы определяется в первом приближении максимальным взаимным отталкиванием отрицательно заряженных лигандов: шесть лигандов образуют октаэдр, четыре - тетраэдр.

В свободном атоме или ионе все пять d- орбиталей одного и того же уровня имеют одинаковую энергию, т.е. они вырождены. Если, гипотетически, ион d- элемента внести в центр сферы равнораспределенного отрицательного заряда, то на все пять электронных облаков будет действовать одинаковая сила отталкивания. В результате этого произойдет возбуждение d- подуровня, но вырождение не снимется. Иная картина возникает, если ион попадает в октаэдрическое, тетраэдрическое или иное окружение (менее симметричное, чем сферическое). Допустим, положительный ион d- элемента находится в октаэдрическом окружении отрицательно заряженных ионов или полярных молекул.

В этом случае - и - электроны испытывают большее электростатическое отталкивание от лигандов, чем d xy -, d xz - и d yz - электроны (Рис. 2.5).

Следовательно, энергия d- электронов в этих условиях не одинакова: в - и - состоянии () энергия выше, чем в d xy -, d xz - и d yz - состоянии (). Таким образом, если в свободном или находящемся в сферическом поле ионе пять d- орбиталей имеют одинаковую энергию, то в октаэдрическом поле лигандов они разделяются на две группы с разными энергиями - в три и две орбитали.

Энергетическая разность d- уровней Д называется энергией расщепления кристаллическим полем . Она выражается в единицах Dq (мера силы кристаллического поля), причем ДЕ = Е 1 - Е 2 = 10Dq= Д. Для октаэдрического комплекса энергия -орбиталей на 2/5Д (4 Dq ) ниже вырожденных d- орбиталей, а? на 3/5Д (6 Dq ) выше.

Величина энергии расщепления определяет свойства КС, поэтому важно знать факторы, от которых она зависит.

1. Тип координации центрального атома.

На параметр Д влияет как число лигандов, окружающих ЦА, так и их взаимное расположение. Энергия расщепления октаэдрическим полем лигандов (Д о) при прочих равных условиях всегда выше, чем тетраэдрическим (Д t):

Д t = Д о . (2)

Это объясняется разной величиной электростатического взаимодействия электронов ЦА с лигандами (см. Рис. 2.8).

2. Заряд центрального иона.

Чем выше заряд центрального иона, тем сильнее его электростатическое взаимодействие с лигандами и тем больше энергия расщепления. При увеличении заряда с +2 до +3 для большинства 3d- элементов энергия расщепления увеличивается приблизительно в 1,5 раза (Табл. 2.2).

Таблица 2.2.

3. Электронное строение центрального иона

Энергия расщепления в комплексах 4d- элементов приблизительно на 50%, а в комплексах 5d- элементов на 75% выше, чем в соответствующих комплексах металлов 3d- ряда. Это объясняется различной протяженностью орбиталей в пространстве.

4. Природа лиганда

По степени увеличения параметра расщепления Д лиганды располагаются в ряд, называемый спектрохимическим (Рис. 2.9) .

Рис. 2.9. Спектрохимический ряд лигандов

При взаимодействии лиганда сильного поля и ЦА происходит расщепление d- орбитали (раздел 2.3, Рис. 2.6). В этом случае распределение электронов по правилу Хунда становится невозможным, так как для перехода электронов с более низкого -уровня на более высокий -уровень требуются затраты энергии, что энергетически не выгодно (большое значение параметра расщепления Д). Потому электроны вначале полностью заполняют -уровень, а затем только идет заполнение -уровня. В случае нахождения на d- орбитали 6 электронов, под действием лиганда сильного поля, происходит заполнение -уровня со спариванием электронов. При этом создается низкоспиновой диамагнитный комплекс. А в случае лиганда слабого поля, когда параметр расщепления Д принимает более низкое значение, равномерное распределение электронов по правилу Хунда становится возможным. При этом спаривания всех электронов не происходит, образуется высокоспиновой парамагнитный комплекс .

Последовательность расположения лигандов в спектрохимическом ряду в рамках теории МО можно объяснить следующим образом. Чем больше степень перекрывания исходных орбиталей, тем больше энергетическое различие между связывающими и разрыхляющими орбиталями и тем больше Д. Иначе говоря, значение Д растет с усилением у- связывания металл - лиганд. На значение Д, кроме того, существенное влияние оказывает р-связывание между ЦА и лигандами.

Если лиганды имеют орбитали (пустые или заполненные), которые по условиям симметрии способны к перекрыванию с d xy -, d xz - и d yz - орбиталями ЦА, то диаграмма МО комплекса существенно усложняется. В этом случае к МО у- и у * - типа добавляются молекулярные орбитали р- и р * - типа. Орбитали лигандов, способные к р- перекрыванию, - это, например, p- и d- атомные орбитали или молекулярные р- и р * - орбитали двухъядерных молекул. На Рис. 2.10 показаны сочетания орбиталей лигандов и d xz - орбиталь ЦА, которые по условиям симметрии могут комбинироваться с образованием молекулярных р- орбиталей.

Рис. 2.10. d xz - Орбиталь ЦА (а) и отвечающие ей по симметрии сочетания p - (б) и р * - (в) орбиталей лигандов, приводящие к образованию МО октаэдрического комплекса

Рис. 2.11. Влияние р- связывания на величину Д

Участие d xy -, d xz - и d yz - орбиталей в построении р- орбиталей приводит к изменению Д. В зависимости от соотношения энергетических уровней орбиталей ЦА и комбинируемых с ними орбиталей лигандов значение Д может увеличиваться или уменьшаться (Рис. 2.11).

При образовании р- орбиталей комплекса часть электронной плотности ЦА переносится к лигандам. Такое р- взаимодействие называется дативным. При образовании р * - орбиталей комплекса некоторая часть электронной плотности от лигандов переносится к ЦА. В таком случае р- взаимодействие называют донорно-акцепторным.

Лиганды, являющиеся р- акцепторами вызывают большее расщепление d- уровня; лиганды, являющиеся р- донорами, наоборот, вызывают малое расщепление d- уровня. По характеру у- и р- взаимодействия лиганды можно подразделить на следующие группы.

Сказанное объясняет порядок расположения лигандов в спектрохимическом ряду :

В начале этого ряда стоят лиганды сильного поля, в конце - лиганды слабого поля.

Прочность связи

Эта величина коррелирует с энергией стабилизации кристаллическим полем (ЭСКП) - выигрышем энергии за счет заполнения низких по энергии d- уровней относительно нерасщепленных d- орбиталей. В случае комплекса 3? энергия стабилизации равна разности между выигрышем за счет электронов, расположенных на -орбиталях (2/5Д·4), и проигрышем за счет электронов на -орбиталях (3/5Д·2): ЭСКП = 2/5Д о ·4 ? 3/5Д о ·2 = 2/5Д о (или 4 Dq ). Для низкоспинового комплекса 3+ энергия стабилизации будет значительно выше, так как в нем все электроны находятся на выгодных орбиталях (), однако надо учесть, что при образовании этого комплекса энергия затрачивается еще и на спаривание электронов (2Р , так как в нем на две электронные пары больше, чем в нерасщепленном состоянии): ЭСКП = 2/5Д о ·6 - 2Р = 12/5 Д о - 2Р (или 24 Dq - 2Р ).

Магнитные свойства

Для комплексов 3d- элементов магнитный момент близок к вычисленному по формуле для «чисто спиновой составляющей»:

м эфф = , (3)

где n - число неспаренных электронов; м эфф выражается в магнетонах Бора (мБ).

В Таблице 2.3 представлены значения экспериментальных и рассчитанных значений магнитного момента для различных комплексов .

Таблица 2.3. Магнитные свойства различных комплексов

Окраска комплексов

Большинство комплексов переходных элементов - окрашенные соединения, т.е. они способны поглощать энергию в видимой области спектра (диапазон длин волн от 410 до 720 нм, что соответствует энергии от 290 до 145 кДж/моль). Это объясняется переходом электронов с более низкого на более высокий свободный энергетический уровень, который осуществляется за счет поглощения квантов видимого света. При этом поглощается свет той длины волны, которая соответствует энергии расщепления:

Видимая окраска соединения соответствует дополнительному цвету, т.е. цвету, который ми видим, если из непрерывного спектра удалены какие-то длины волн . На Рис. 2.14 приведен спектр аква-комплекса титана(III) 3+ . Цвет объясняется спектром поглощения комплекса. Этот октаэдрический комплекс имеет электронную конфигурацию

Возбуждение электрона с в состояние требует поглощения кванта энергии Д:

Как видно из Рис. 2.14, это соответствует поглощению излучения с длиной волны 50 нм. Таким образом растворы 3+ , поглощающие желтые лучи, пропускают синие и красные, поэтому окраска растворов оказывается фиолетовой.

Воспользовавшись формулой (4) можно вывести значение Д для комплекса 3+ , которая равна 238 кДж/моль .

Эффект Яна?Теллера

До сих пор рассматривались только октаэдрические и тетраэдрические комплексы. Однако существует немало соединений с искаженной октаэдрической структурой, квадратные комплексы и комплексы, имеющие другие координационные числа, например, 5, 7 и т.д. Значительное искажение правильной октаэдрической структуры наблюдается для комплексов с конфигурацией (Cr 2+ , Mn 3+) и (Cu 2+ , Ag 2+). Это выражается:

· в неодинаковой длине связи между ЦА и лигандами;

· в уширении или раздвоении линий в спектрах поглощения.

В этих случаях на вырожденных -орбиталях находится нечетное число электронов, которые могут располагаться на - или -орбитали. Согласно теореме Яна?Теллера, если одному состоянию системе соответствует несколько эквивалентных орбитально вырожденных энергетических уровней, то геометрическое искажение системы должно снять орбитальное вырождение и понизить общую энергию системы.

И Джоном Ван Флеком для описания низших состояний катионов переходных металлов, окруженных лигандами - как анионами, так и нейтральными молекулами. Теория кристаллического поля была в дальнейшем объединена [и усовершенствована] с теорией (делокализованных) молекулярных орбиталей в более общую, учитывающую частичную ковалентность связи металл-лиганд в координационных соединениях .

Теория кристаллического поля позволяет предсказать или интерпретировать оптические спектры поглощения и спектры электронного парамагнитного резонанса кристаллов и комплексных соединений, а также энтальпий гидратации и устойчивости в растворах комплексов переходных металлов.

Обзор теории кристаллического поля [ | ]

Согласно ТКП, взаимодействие между переходным металлом и лигандами возникает вследствие притяжения между положительно заряженным катионом металла и отрицательным зарядом электронов на несвязывающих орбиталях лиганда. Теория рассматривает изменение энергии пяти вырожденных d -орбиталей в окружении точечных зарядов лигандов. По мере приближения лиганда к иону металла, электроны лиганда становятся ближе к некоторым d -орбиталям, чем к другим, вызывая потерю вырожденности. Электроны d -орбиталей и лигандов отталкиваются друг от друга как заряды с одинаковым знаком. Таким образом, энергия тех d -электронов, которые ближе к лигандам, становится выше, чем тех, которые дальше, что приводит к расщеплению уровней энергии d -орбиталей.

На расщепление влияют следующие факторы:

Природа иона металла.
Степень окисления металла. Чем выше степень окисления, тем выше энергия расщепления.
Расположение лигандов вокруг иона металла.
Природа лигандов, окружающих ион металла. Чем сильнее эффект от лигандов, тем больше разность между высоким и низким уровнем энергии.

Самый распространённый вид координации лигандов - октаэдрическая , при которой шесть лигандов создают кристаллическое поле октаэдрической симметрии вокруг иона металла. При октаэдрическом окружении иона металла с одним электроном на внешней оболочке d-орбитали разделяются на две группы с разностью энергетических уровней Δ окт (энергия расщепления ), при этом энергия у орбиталей d xy , d xz и d yz будет ниже, чем у d z 2 и d x 2 -y 2 , так как орбитали первой группы находятся дальше от лигандов и испытывают меньшее отталкивание. Три орбитали с низкой энергией обозначаются как t 2g , а две с высокой - как e g .

Следующими по распространённости являются тетраэдрические комплексы, в которых четыре лиганда образуют тетраэдр вокруг иона металла. В этом случае d -орбитали также разделяются на две группы с разностью энергетических уровней Δ тетр. В отличие от октаэдрической координации, низкой энергией будут обладать орбитали d z 2 и d x 2 -y 2 , а высокой - d xy , d xz и d yz . Кроме того, так как электроны лигандов не находятся непосредственно в направлении d -орбиталей, энергия расщепления будет ниже, чем при октаэдрической координации. С помощью ТКП также можно описать плоскоквадратную и другие геометрии комплексов.

Разность энергетических уровней Δ между двумя или более группами орбиталей зависит также от природы лигандов. Некоторые лиганды вызывают меньшее расщепление, чем другие, причины чего объясняет. Спектрохимический ряд - полученный опытным путём список лигандов, упорядоченных в порядке возрастания Δ:

Степень окисления металла также влияет на Δ. Металл с более высокой степенью окисления ближе притягивает лиганды за счёт большей разности зарядов. Лиганды, находящиеся ближе к иону металла, вызывают большее расщепление.

Низко- и высокоспиновые комплексы [ | ]

Лиганды, вызывающие большое расщепление d -уровней, например CN − и CO, называются лигандами сильного поля . В комплексах с такими лигандами электронам невыгодно занимать орбитали с высокой энергией. Следовательно, орбитали с низкой энергией полностью заполняются до того, как начинается заполнение орбиталей с высокой энергией. Такие комплексы называются низкоспиновыми . Например, NO 2 − - лиганд сильного поля, создающий большое расщепление. Все 5 d -электронов октаэдрического иона 3− будут располагаться на нижнем уровне t 2g .

Напротив, лиганды, вызывающие малое расщепление, например I − и Br − , называются лигандами слабого поля . В этом случае легче поместить электроны в орбитали с высокой энергией, чем расположить два электрона в одной орбитали с низкой энергией, потому что два электрона в одной орбитали отталкивают друг друга, и затраты энергии на размещение второго электрона в орбитали выше, чем Δ. Таким образом, прежде чем появятся парные электроны, в каждую из пяти d -орбиталей должно быть помещёно по одному электрону в соответствии с правилом Хунда . Такие комплексы называются высокоспиновыми . Например, Br − - лиганд слабого поля, вызывающий малое расщепление. Все 5 d -орбиталей иона 3− , у которого тоже 5 d -электронов, будут заняты одним электроном.

Энергия расщепления для тетраэдрических комплексов Δ тетр примерно равна 4/9Δ окт (для одинаковых металла и лигандов). В результате этого разность энергетических уровней d -орбиталей обычно ниже энергии спаривания электронов, и тетраэдрические комплексы обычно высокоспиновые.

Диаграммы распределения d -электронов позволяют предсказать магнитные свойства координационных соединений. Комплексы с непарными электронами являются парамагнитными и притягиваются магнитным полем, а без - диамагнитными и слабо отталкиваются.

Энергия стабилизации кристаллическим полем [ | ]

Энергия стабилизации кристаллическим полем (ЭСКП) - энергия электронной конфигурации иона переходного металла относительно средней энергии орбиталей. Стабилизация возникает вследствие того, что в поле лигандов энергетический уровень некоторых орбиталей ниже, чем в гипотетическом сферическом поле, в котором на все пять d -орбиталей действует одинаковая сила отталкивания, и все d -орбитали вырождены. Например, в октаэдрическом случае уровень t 2g ниже, чем средний уровень в сферическом поле. Следовательно, если в данных орбиталях находятся электроны, то ион металла более стабилен в поле лигандов относительно сферического поля. Наоборот, энергетический уровень орбиталей e g выше среднего, и электроны, находящиеся в них, уменьшают стабилизацию.

Энергия стабилизации октаэдрическим полем

В октаэдрическом поле три орбитали t 2g стабилизированы относительно среднего энергетического уровня на 2 / 5 Δ окт, а две орбитали e g дестабилизированы на 3 / 5 Δ окт. Выше были приведены примеры двух электронных конфигураций d 5 . В первом примере - низкоспиновый комплекс 3− с пятью электронами в t 2g . Его ЭСКП составляет 5 × 2 / 5 Δ окт = 2Δ окт. Во втором примере - высокоспиновый комплекс 3− с ЭСКП (3 × 2 / 5 Δ окт) − (2 × 3 / 5 Δ окт) = 0. В этом случае стабилизирующий эффект электронов в низкоуровневых орбиталях нейтрализуется дестабилизирующим эффектом электронов в высокоуровневых орбиталях.

Диаграммы расщепления d-уровня кристаллическим полем [ | ]

октаэдрическая	пентагонально-бипирамидальная	квадратно-антипризматическая

По степени увеличения параметра расщепления Δ лиганды располагаются в ряд, называемый спектрохимическим (Рис. 2.9).

Рис. 2.9. Спектрохимический ряд лигандов

При взаимодействии лиганда сильного поля и ЦА происходит расщепление d- орбитали. В этом случае распределение электронов по правилу Хунда становится невозможным, так как для перехода электронов с более низкого -уровня на более высокий -уровень требуются затраты энергии, что энергетически не выгодно (большое значение параметра расщепления Δ). Потому электроны вначале полностью заполняют -уровень, а затем только идет заполнение -уровня. В случае нахождения на d- орбитали 6 электронов, под действием лиганда сильного поля, происходит заполнение -уровня со спариванием электронов. При этом создается низкоспиновой диамагнитный комплекс. А в случае лиганда слабого поля, когда параметр расщепления Δ принимает более низкое значение, равномерное распределение электронов по правилу Хунда становится возможным. При этом спаривания всех электронов не происходит, образуется высокоспиновой парамагнитный комплекс.

Последовательность расположения лигандов в спектрохимическом ряду в рамках теории МО можно объяснить следующим образом. Чем больше степень перекрывания исходных орбиталей, тем больше энергетическое различие между связывающими и разрыхляющими орбиталями и тем больше Δ. Иначе говоря, значение Δ растет с усилением σ- связывания металл – лиганд. На значение Δ, кроме того, существенное влияние оказывает π-связывание между ЦА и лигандами.

Если лиганды имеют орбитали (пустые или заполненные), которые по условиям симметрии способны к перекрыванию с d xy -, d xz - и d yz - орбиталями ЦА, то диаграмма МО комплекса существенно усложняется. В этом случае к МО σ- и σ * - типа добавляются молекулярные орбитали π- и π * - типа. Орбитали лигандов, способные к π- перекрыванию, – это, например, p- и d- атомные орбитали или молекулярные π- и π * - орбитали двухъядерных молекул. На Рис. 2.10 показаны сочетания орбиталей лигандов и d xz - орбиталь ЦА, которые по условиям симметрии могут комбинироваться с образованием молекулярных π- орбиталей.

Рис. 2.10. d xz - Орбиталь ЦА (а) и отвечающие ей по симметрии сочетания p – (б) и π * – (в) орбиталей лигандов, приводящие к образованию МО октаэдрического комплекса

Рис. 2.11. Влияние π- связывания на величину Δ

Участие d xy -, d xz - и d yz - орбиталей в построении π- орбиталей приводит к изменению Δ. В зависимости от соотношения энергетических уровней орбиталей ЦА и комбинируемых с ними орбиталей лигандов значение Δ может увеличиваться или уменьшаться (Рис. 2.11).

При образовании π- орбиталей комплекса часть электронной плотности ЦА переносится к лигандам. Такое π- взаимодействие называется дативным. При образовании π * - орбиталей комплекса некоторая часть электронной плотности от лигандов переносится к ЦА . В таком случае π- взаимодействие называют донорно-акцепторным.

Лиганды, являющиеся π- акцепторами вызывают большее расщепление d- уровня; лиганды, являющиеся π- донорами, наоборот, вызывают малое расщепление d- уровня. По характеру σ- и π- взаимодействия лиганды можно подразделить на следующие группы.

Теория кристаллического поля пришла на смену теории валентных связей в 40-х годах XX столетия. В чистом виде она сейчас не применяется, так как не может объяснить образование ковалентных связей в комплексных соединениях и совершенно не учитывает истинного состояния лигандов (например, их действительных размеров) даже в случае взаимодействий, близких к чисто электростатическим.

Уже с середины 50-х годов упрощенная теория кристаллического поля была заменена усовершенствованной теорией поля лигандов , учитывающей ковалентный характер химических связей между комплексообразователем и лигандом.

Однако наиболее общий подход к объяснению образования комплексных соединений дает теория молекулярных орбиталей (МО), которая в настоящее время превалирует над всеми остальными. Метод молекулярных орбиталей предусматривает и чисто электростатическое взаимодействие при отсутствии перекрывания атомных орбиталей, и всю совокупность промежуточных степеней перекрывания.

Рассмотрим основные понятия теории кристаллического поля , которая, как и теория валентных связей, все еще сохраняет свое значение для качественного описания химических связей в комплексных соединениях из-за большой простоты и наглядности.

В теории кристаллического поля химическая связь комплексообразователь – лиганд считается электростатической . В соответствии с этой теорией лиганды располагаются вокруг комплексообразователя в вершинах правильных многогранников (полиэдров ) в виде точечных зарядов . Реальный объем лиганда теорией во внимание не принимается.

Лиганды, как точечные заряды, создают вокруг комплексообразователя электростатическое поле (“кристаллическое поле”, если рассматривать кристалл комплексного соединения, или поле лигандов ), в котором энергетические уровни комплексообразователя и прежде всего d -подуровни расщепляются , и их энергия изменяется. Характер расщепления, энергия новых энергетических уровней зависит от симметрии расположения лигандов (октаэдрическое, тетраэдрическое или иное кристаллическое поле). Когда в качестве лигандов координируются молекулы H 2 O, NH 3 , CO и другие, их рассматривают как диполи , ориентированные отрицательным зарядом к комплексообразователю.

Рассмотрим случай октаэдрического расположения лигандов (например, -3 или 3+). В центре октаэдра находится ион-комплексообразователь М(+ n) с электронами на d -атомных орбиталях, а в его вершинах – лиганды в виде точечных отрицательных зарядов (например, ионы F - или полярные молекулы типа NH 3). В условном ионе М(+ n), не связанном с лигандами, энергии всех пяти d -АО одинаковы (т.е. атомные орбитали вырожденные ).

Однако в октаэдрическом поле лигандов d -АО комплексообразователя попадают в неравноценное положение. Атомные орбитали d (z 2) и d(х 2 -у 2) , вытянутые вдоль осей координат, ближе всего подходят к лигандам. Между этими орбиталями и лигандами, находящимися в вершинах октаэдра, возникают значительные силы отталкивания , приводящие к увеличению энергии орбиталей. Иначе говоря, данные атомные орбитали подвергаются максимальному воздействию поля лигандов . Физической моделью такого взаимодействия может служить сильно сжатая пружина.
Другие три d -АО – d (xy ), d (xz ) и d (yz ), расположенные между осями координат и между лигандами, находятся на более значительном расстоянии от них. Взаимодействие таких d -АО с лигандами минимально, а следовательно – энергия d (xy ), d (xz ) и d (yz )-АО понижается по сравнению с исходной.
Таким образом, пятикратно вырожденные d -АО комплексообразователя, попадая в октаэдрическое поле лигандов , подвергаются расщеплению на две группы новых орбиталей – трехкратно вырожденные орбитали с более низкой энергией, d (xy ), d (xz ) и d (yz ), и двукратно вырожденные орбитали с более высокой энергией, d (z 2) и d(х 2 -у 2) . Эти новые группы d -орбиталей с более низкой и более высокой энергией обозначают d ε и d γ:

d (z 2) и d(х 2 -у 2)

d (xy ), d (xz ),d (yz )

Разность энергий двух новых подуровней d ε и d γ получила название параметра расщепления Δ 0:

E 2 – E 1 = Δ 0 ≈ 0

Расположение двух новых энергетических подуровней d ε и d γ по отношению к исходному (d -АО) на энергетической диаграмме несимметричное :

(Е 2 – Е 0) > (Е 0 – Е 1).

Квантово-механическая теория требует, чтобы при полном заселении новых энергетических уровней электронами общая энергия осталась без изменения , т.е. она должна остаться равной Е 0 .
Иначе говоря, должно выполняться равенство

4(Е 2 – Е 0) = 6(Е 0 – Е 1),

где 4 и 6 – максимальное число электронов на d γ- и d ε-АО. Из этого равенства следует, что

(Е 2 – Е 0) / (Е 0 – Е 1) = 3/2 и
(Е 2 – Е 1) / (Е 0 – Е 1) = 5/2, или

Δ 0 / (Е 0 – Е 1) = 5/2, откуда (Е 0 – Е 1) = 2/5Δ 0 .

Размещение каждого электрона из шести максимально возможных на d ε-орбитали вызывает уменьшение (выигрыш ) энергии на 2/5 Δ 0 .

Наоборот, размещение каждого электрона из четырех возможных на d γ-орбитали вызывает увеличение (затрату ) энергии на 3/5 Δ 0 .

Если заселить электронами d ε- и d γ-орбитали полностью, то никакого выигрыша энергии не будет (как не будет и дополнительной затраты энергии ).

Но если исходная d -АО заселена только частично и содержит от 1 до 6 электронов, и эти электроны размещаются только на d ε-АО, то мы получим значительный выигрыш энергии .
Выигрыш энергии за счет преимущественного заселения электронами d ε-атомных орбиталей называют энергией стабилизации комплекса полем лигандов .

Специфика каждого из лигандов сказывается в том, какое поле данный лиганд создает – сильное или слабое . Чем сильнее поле лигандов, чем больше значение параметра расщепления Δ 0 .

Изучение параметра расщепления, как правило, основано на спектроскопических исследованиях. Длины волн полос поглощения комплексов в кристаллическом состоянии или в растворе, обусловленные переходом электронов с d ε- на d γ-АО, связаны с параметром расщепления Δ 0 следующим образом:

λ = c / ν; Δ 0 = Е 2 – Е 1 = h ν = h · (c / λ),

где постоянная Планка h равна 6,6260693 ∙ 10 -34 Дж · с;
скорость света с = 3 · 10 10 см/с.
Единица измерения Δ 0 – та же, что у волнового числа: см -1 , что приближенно отвечает 12 Дж/моль. Параметр расщепления , помимо типа лиганда, зависит от степени окисления и природы комплексообразователя.
В комплексных соединениях, включающих комплексообразователи одного и того же периода и в одинаковой степени окисления, с одними и теми же лигандами, параметр расщепления примерно одинаков. С ростом степени окисления комплексообразователя значение Δ 0 увеличивается . Так, для аквакомплексов 2+ и 2+ значение параметра расщепления составляет 7800 и 10400 см -1 , а для 3+ и +3 13700 и 21000 см -1 соответственно. При увеличении заряда ядра атома-комплексообразователя Δ 0 тоже растет. Катионы гексаамминкобальта(III) 3+ , гексаамминродия(III) 3+ , гексаамминиридия(III) 3+ (Z = 27, 45 и 77) характеризуются параметрами расщепления, равными 22900, 34100 и 41000 см -1 .

Зависимость Δ 0 от природы лигандов более разнообразна. В результате исследования многочисленных комплексных соединений было установлено, что по способности увеличивать параметр расщепления металлов-комплексообразователей, находящихся в своих обычных степенях окисления, наиболее распространенные лиганды можно расположить в следующий спектрохимический ряд , вдоль которого значение Δ 0 монотонно растет:
I > Br > Cl > NCS - ≈ NO 3 - > F - > OH - >H 2 O > H - > NH 3 > NO 2 - > CN - > NO > CO.

Таким образом, наиболее сильное электростатическое поле вокруг комплексообразователя и самое сильное расщепление d -АО вызывают лиганды CN - , NO и CO. Рассмотрим распределение электронов по d ε- и d γ-орбиталям в октаэдрическом поле лигандов. Заселение d ε- и d γ-орбиталей происходит в полном соответствии с правилом Гунда и принципом Паули . При этом независимо от значения параметра расщепления первые три электрона занимают квантовые ячейки d ε-подуровня:

dε

Если число электронов на d -подуровне комплексообразователя больше трех, для размещения их по расщепленным подуровням появляется две возможности. При низком значении параметра расщепления (слабое поле лигандов) электроны преодолевают энергетический барьер, разделяющий d ε- и d γ-орбитали; четвертый, а затем и пятый электроны заселяют квантовые ячейки d γ-подуровня.

dε

При сильном поле лигандов и высоком значении Δ 0 заселение четвертым и пятым электроном d γ-подуровня исключено; происходит заполнение d ε-орбиталей.

dε

При слабом поле лигандов заселяющие квантовые ячейки 4 или 5 электронов имеют параллельные спины , поэтому получаемый комплекс оказывается сильно парамагнитен . В сильном поле лигандов образуются одна, а затем две электронные пары на d ε-подуровне, так что парамагнетизм комплекса оказывается гораздо слабее. Шестой, седьмой и восьмой электроны в случае слабого поля оказываются снова на d γ-подуровне, дополняя конфигурации до электронных пар (одной в случае d 6 , двух – d 7 и трех – d 8):

dε

В случае сильного поля лигандов шестой электрон заселяет dε -АО, приводя к диамагнетизму комплекса, после чего седьмой и восьмой электроны поступают на d γ-подуровень:

dε

Очевидно, при восьмиэлектронной конфигурации различия в строении между комплексами с лигандами слабого и сильного поля исчезают . Заселение орбиталей девятым и десятым электроном также не различается для комплексов обоих типов:

dε

Вернемся к рассмотрению электронного строения октаэдрических комплексных ионов 3+ и -3 . В соответствии с расположением в спектрохимическом ряду , аммиак NH 3 относится к числу лигандов сильного поля , а фторид-ион F - – слабого поля . В анионе -3 лиганды F - создают слабое кристаллическое поле (Δ 0 = 13000 cм -1), и все электроны исходной 3d 6 -АО размещаются на d ε- и d γ-орбиталях без какого-либо спаривания. Комплексный ион является высокоспиновым и содержит четыре неспаренных электрона, поэтому он парамагнитен :

В ионе 3+ лиганды NH 3 создают сильное кристаллическое поле (Δ 0 = 22900 см -1), все 3d 6 -электроны размещаются на более энергетически выгодной d ε-орбитали. Переход электронов с d ε- на d γ-орбитали невозможен из-за слишком высокого энергетического барьера . Поэтому данный комплексный катион является низкоспиновым , он не содержит неспаренных электронов и диамагнитен :

Аналогичным образом могут быть представлены схемы распределения электронов по орбиталям в октаэдрическом поле для ионов 2+ и -4:

Лиганды H 2 O создают слабое поле; обмен электронами между d ε- и d γ-орбиталями не вызывает затруднений и поэтому число неспаренных электронов в комплексном ионе такое же, как и в условном ионе Fe + II . Получаемый аквакомплекс – высокоспиновый, парамагнитный .
Наоборот, лиганды CN - вызывают значительное расщепление d -АО, составляющее 33000 см -1 . Это значит, что существует сильная тенденция к размещению всех электронов на d ε-орбиталях. Выигрыш энергии , получаемый при таком заселении орбиталей, много больше энергетических затрат, обусловленных спариванием электронов.

C позиции метода валентных связей в гибридизации валентных орбиталей, образующих связь в аквакомплексе участвуют d -АО внешнего подуровня (4sp 3 d 2), а в низкоспиновом ― d -АО внутреннего подуровня (3d 2 4sp 3).

Таким образом, в высокоспиновых комплексах с лигандами слабого поля осуществляется гибридизация с участием d -АО внешнего подуровня, а низкоспиновых с лигандами сильного поля ― d -АО внутреннего подуровня. Количество неспаренных электронов в комплексе возможно определить методом электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). С помощью приборов данного метода, называемых ЭПР спектрометрами, исследуются парамагнитные вещества.

Теория кристаллического поля позволяет объяснить появление той или иной окраски у комплексных соединений. Среди комплексных соединений значительное количество в кристаллическом состоянии и водном растворе отличаются яркой окраской. Так, водный раствор, содержащий катионы 2+ , окрашен в интенсивно синий цвет, катионы 3+ придают раствору фиолетовую окраску, а катионы 2+ красную. Если через раствор или кристаллический образец вещества пропускать свет видимой части спектра , то в принципе возможны три варианта физического поведения образца: отсутствие поглощения света любой длины волны (образец вещества бесцветен , хотя может иметь полосы поглощения в ультрафиолетовой области спектра); полное поглощение света во всем интервале длин волн (образец будет казаться черным ); наконец, поглощение света только определенной длины волны (тогда образец будет иметь цвет, дополнительный к поглощенному узкому участку спектра).

Таким образом, цвет раствора или кристаллов определяется частотой полос поглощения видимого света. Поглощение квантов света комплексами (например, имеющими октаэдрическое строение) объясняется взаимодействием света с электронами, находящимися на d ε-подуровне, сопровождаемое их переходом на вакантные орбитали d γ-подуровня. Например, при пропускании света через водный раствор, содержащий катионы гексаакватитана(III) 3+ , обнаруживается полоса поглощения света в желто-зеленой области спектра (20300 см -1 , λ=500 нм). Это связано с переходом единственного электрона комплексообразователя с d ε-АО на d γ-подуровень:

Поэтому раствор, содержащий 3+ , приобретает фиолетовый цвет (дополнительный к поглощенному желто-зеленому). Раствор соли ванадия Cl 3 имеет зеленый цвет. Это также обусловлено соответствующими переходами электронов при поглощении ими части энергии светового луча. В основном состоянии, при электронной конфигурации ванадия(III) 3d 2 , два неспаренных электрона занимают d ε-подуровень:

Существует всего два варианта перехода двух электронов на d γ-подуровень: либо оба электрона занимают d γ-АО, либо только один из них. Любые другие переходы электронов, связанные с уменьшением суммарного спина, запрещены.
Указанным переходам электронов, получивших избыточную энергию, соответствует полоса поглощения около 400 нм в спектре поглощения раствора хлорида гексаакваванадия(III). Поглощение пурпурно-фиолетовой области спектра дает дополнительный цвет раствора – ярко-зеленый . Если комплексообразователь имеет электронную конфигурацию d 0 или d 10 , то переходы электронов с d ε- на d γ-подуровень или наоборот невозможны либо из-за отсутствия электронов , либо из-за отсутствия вакантных орбиталей . Поэтому растворы комплексов с такими комплексообразователями, как Sc(III) (3d 0), Cu(I) (3d 10), Zn(II) (3d 10), Cd(II) (4d 10) и т.п., не поглощают энергии в видимой части спектра и кажутся бесцветными . Избирательность поглощения света зависит не только от комплексообразователя и степени его окисления , но и от вида лигандов . При замене в комплексном соединении лигандов, находящихся в левой части спектрохимического ряда, на лиганды, создающие сильное электростатическое поле, наблюдается увеличение доли энергии, поглощаемой электронами из проходящего света и как следствие – уменьшение длины волны соответствующей полосы поглощения. Так, водный раствор, содержащий катионы тетрааквамеди(II) 2+ , окрашен в голубой цвет, а раствор сульфата тетраамминмеди(II) 2+ имеет интенсивно синюю окраску.

Похожая информация.

Подобно ионной модели, теория кристаллического поля (ТКП) предполагает, что комплексные соединения образуются в результате электростатического взаимодействия между центральным ионом комплексообразователем и лигандами. Однако, в отличие от лигандов, которые рассматриваются как точечные заряды или диполи, центральный ион рассматривается с учетом эго электронной структуры и ее изменения под действием электрического поля лигандов.

Основным эффектом действия электрического поля лигандов на электронную структуру центрального иона d-металла является расщепление его пятикратно вырожденных валентных d-орбиталей, в результате различного направления в пространстве d xy , d xz , d yz , d z2 , d x2-y2 орбиталей и, как следствие этого, различной эффективности взаимодействия d-электронов c лигандами. Характер расщепления d-орбиталей зависит от пространственного расположения (симметрии) лигандов вокруг иона металла Чем ниже симметрия лигандного окружения иона металла, тем расщепление d-орбиталей больше:

Тетраэдр Сферическое Октаэдр Тетрагонально Плоский

электрическое искаженный квадрат

поле лигандов октаэдр

Схема 1. Качественная диаграмма расщепление d-орбиталей.

Действие электрического поля лигандов, расположенных в вершинах октаэдра на координатных осях x, y и z приводит для октаэдрических комплексов z к расщеплению пятикратно вырожденных d-орбиталей центрального иона металла 2 группы - низкоэнергетические трехкратно вырожденные t 2g (d xy , d xz , d yz) орбитали и более высокоэнергетические двукратно вырожденные e g (d x2-y2 , d z2) орбитали. Для тетраэдрических комплексов z d-орбитали металла также расщепляются на 2 группы, но энергия трехкратно вырожденных t-орбиталей выше по сравнению с энергией е-орбиталей. Понижение симметрии лигандного окружения центрального иона металла при переходе от октаэдрических к тетрагонально искаженным и плоскоквадратным комплексам: z ®транс- z ® z приводит к дальнейшему расщеплению d-орбиталей иона металла.

Разность энергий между расщепленными орбиталями называется параметром расщепления кристаллическим полем и обозначается D или 10Dq. Поскольку средняя энергия d-орбиталей при переходе от сферически симметричного поля лигандов к октаэдрическому полю остается неизменной, то относительное понижение энергии трехкратно вырожденных t 2g -орбиталей происходит на величину 0.4D, а повышение энергии e g -орбиталей на 0.6D. Величина параметра D для данного комплекса определяется эффективностью действия электрического поля лигандов на центральный ион комплексообразователь и зависит как от природы центрального иона металла, так и лигандов:

С увеличением главного квантового числа валентных d-орбиталей иона металла 3d®4d®5d в результате увеличения их размера величина D в подобных октаэдрических комплексах последовательно увеличивается примерно на 30-50%;

С увеличением степени окисления металла величина D увеличивается – для подобных октаэдрических комплексов со степенью окисления металла +3 величина D примерно на 40-80% больше, чем для металла со степенью окисления +2;

Наиболее распространенные лиганды могут быть расположены в ряд, называемый спектрохимическим рядом лигандов , по возрастанию величины D для их комплексов с ионами металлов в их обычном низшем окислительном состоянии: I - < Br - < Cl - ~ SCN - < F - < OH - < C 2 O 4 2- ~ H 2 O < NCS - < NH 3 < NO 2 < H - < CN - ~ CO;

Величина параметра D т для тетраэдрических комплексов составляет примерно 40-50% от величины D о для аналогичных октаэдрических комплексов, что близко к теоретическому значению: D т = 4/9D o ; полная величина расщепления (D 1 + D 2 + D 3) для плоскоквадратных комплексов примерно на 30% больше параметра расщепления для аналогичных октаэдрических комплексов.

Пример 1. Расположить следующие комплексы в порядке увеличения параметра D: а) 3- , 3- , 3+ ; б) 3- , - , 3- ; в) 2- (тетраэдр), 4- .

Решение. а) величина D в ряду октаэдрических комплексов Co(III) определяется положением лигандов в спектрохимическом ряду: 3- < 3+ < 3- ;

б) в ряду фторидных октаэдрических комплексов 3- увеличивается значение главного квантового числа валентных d-орбиталей иона металла Co 3+ (3d 6), Rh 3+ (4d 6), Ir 3+ (5d 6), что и приводит к увеличению параметра D в ряду: 3- < 3- < 3- ;

в) с уменьшением координационного числа при переходе от октаэдрических к однотипным тетраэдрическим комплексам параметр D уменьшается: 4- > 2- (тетраэдр).

Заполнение электронами расщепленных d-орбиталей металла в комплексах происходит в соответствии с принципом минимума энергии, принципом Паули и правилом Хунда. Для октаэдрических комплексов с d 1 , d 2 , d 3 , d 8 , d 9 и d 10 электронной конфигурацией центрального иона металла независимо от параметра D минимальной энергии комплекса соответствует только один порядок распределения электронов по t 2g и e g орбиталям с неизменным по сравнению со свободным ионом металла значением спиновой мультиплетности (2S+1):

М z+	(2S+1)	x	(2S+1)
d 1		(t 2g) 1
d 2		(t 2g) 2
d 3		(t 2g) 3
d 8		(t 2g) 6 (e g) 2
d 9		(t 2g) 6 (e g) 3
d 10		(t 2g) 6 (e g) 4

В тоже время, для ионов металлов с d 4 , d 5 , d 6 , d 7 электронной конфигурацией в зависимости от соотношения параметра D и энергии межэлектронного отталкивания (E м.о.) минимальной энергии комплекса могут соответствовать два типа распределения электронов по t 2g и e g орбиталям металла: 1) если D < E м.о. , то заполнение электронами t 2g и e g орбиталей происходит в соответствии с правилом Хунда и спиновая мультиплетность таких высокоспиновых комплексов совпадает с мультиплетностью свободного иона металла; 2) если же D > E м.о. , то первоначально происходит полное заполнение электронами t 2g орбиталей и только потом e g орбиталей; спиновая мультиплетность таких низкоспиновых комплексов уменьшается по сравнению со свободным ионом металла:

M z+	(2S+1)	x
Высокоспиновый	(2S+1)	Низкоспиновый	(2S+1)
d 4		(t 2g) 3 (e g) 1		(t 2g) 4 (e g) 0
d 5		(t 2g) 3 (e g) 2		(t 2g) 5 (e g) 0
d 6		(t 2g) 4 (e g) 2		(t 2g) 6 (e g) 0
d 7		(t 2g) 5 (e g) 2		(t 2g) 6 (e g) 1

Пример 2. Опишите электронное строение, определите спиновую мультиплетность и охарактеризуйте магнитные свойства следующих октаэдрических комплексов: а) 3- и 3- ; б) 3- и 3- ; в) 3- и 3- .

Решение. а) электронное строение иона Cr 3+ (3d 3) определяет независимо от природы лигандов единственный порядок заполнения электронами его расщепленных в октаэдрическом поле лигандов орбиталей, отвечающих минимальной энергии комплексов: (t 2g) 3 (e g) 0 . Спиновая мультиплетность комплексов 3- и 3- совпадает с мультиплетностью свободного иона Cr 3+ и составляет (2S+1) = 4. Наличие трех неспаренных электронов определяет парамагнитные свойства обоих комплексов;

б) электронное строение иона Co 3+ (3d 6) определяет в зависимости от силы поля лигандов возможность образования как высокоспиновых, так и низкоспиновых октаэдрических комплексов. Поскольку из положения в спектрохимическом ряду лигандов следует, что F - является лигандом слабого поля, а CN - - лигандом сильного поля, то электронное строение 3- соответствует высокоспиновому комплексу с (t 2g) 3 (e g) 1 электронной конфигурацией Co(III) и спиновой мультиплетностью (2S+1) = 5, характеризующей парамагнитные свойства комплекса, тогда как 3- является низкоспиновым комплексом с (t 2g) 6 (e g) 0 электронной конфигурацией Co(III) и спиновой мультиплетностью (2S+1)= 1 – комплекс характеризуется диамагнитными свойствами;

в) поскольку, увеличение параметра D в ряду 3d < 4d < 5d переходных металлов определяет для комплексов тяжелых 4d и 5d переходных металлов практически независимо от силы поля лигандов образование низкоспиновых комплексов, то комплексы 3- и 3- характеризуются подобной электронной конфигурацией иридия(III) (t 2g) 6 (e g) 0 и спиновой мультиплетностью (2S+1) = 1, определяющей диамагнитные свойства комплексов.

Для тетраэдрических и плоскоквадратных комплексов с координационным числом 4 принципиально также возможно образование двух типов комплексов – высокоспиновых и низкоспиновых. Однако, поскольку величина D для тетраэдрических, октаэдрических и плоскоквадратных комплексов увеличивается примерно на 45% и 30%, то, для ионов 3d-переходных металлов образование тетраэдрических комплексов характерно с лигандами слабого поля и такие комплексы являются высоспиновыми, тогда как для лигандов сильного поля образуются плоскоквадратные низкоспиновые комплексы; увеличение параметра D при переходе от ионов 3d к 4d и 5d переходным металлам приводит к образованию ими только низкоспиновых плоскоквадратных комплексов.

Пример 3. Опишите электронное строение, определите спиновую мультиплетность и охарактеризуйте магнитные свойства комплексов 2- и 2- .

Решение. Положение в спектрохимическом ряду определяет Cl - и CN - в качестве лигандов слабого и сильного поля. Поэтому ион Ni 2+ (3d 8) с хлоридным лигандом образует высокоспиновый тетраэдрический комплекс 2- с электронной конфигурацией e 4 t 4 и спиновой мультиплетностью (2S+1) = 2, определяющей его парамагнитные свойства, тогда как с цианидным лигандом образуется низкоспиновый плоскоквадратный комплекс 2- с электронной конфигурацией (d xz,yz) 4 (d z2) 2 (d xy) 2 , спиновой мультиплетностью (2S+1) = 1 и диамагнитными свойствами.

Наряду с магнитными свойствами, ТКП позволяет объяснить и предсказывать оптические свойства комплексов, которые определяются фотоиндуцированным переходом электрона с более низкоэнергетических d-орбиталей на свободные более высокоэнергетические орбитали. Так, оптические свойства и окраска октаэдрических комплексов z с (t 2g) 1 (e g) 0 электронной конфигурацией иона металла определяются переходом электрона между t 2g и e g орбиталями при поглощении квантов света, энергия которых соответствует энергетическому различию между t 2g и e g орбиталями: Е = hc/l = D. Поскольку величина параметра D зависит от природы лигандов и центрального иона металла, то комплексы с различными лигандами и ионами металлов поглощают кванты света различной энергии, что и определяет различие в их оптических спектрах поглощения. Если длина волны поглощаемых комплексами квантов света соответствует видимой области света l = 400 – 750 нм, то комплексы имеют характерную окраску, соответствующую не поглощенным квантам видимого света. Например, полоса поглощения с максимумом при 493 нм в спектре 3+ соответствует желто-зеленой области видимого света. Поскольку более коротковолновые “синие” и более длинноволновые “красные” кванты видимого света не поглощаются, то их суперпозиция определяет фиолетовую окраску комплекса 3+ .

Пример 4. Определить максимум полосы поглощения комплекса 3- , если параметр D для данного комплекса составляет 1.58 Эв. Какой области спектра видимого света соответствуют поглощаемые комплексом кванты?

Решение. Условием фотоиндуцированного перехода (t 2g) 1 (e g) 0 ® (t 2g) 0 (e g) 1 в комплексах Ti 3+ является равенство энергии квантов света параметру D и максимум полосы поглощения определяется соотношением: l max = hc/D:

D = 1.58 эВ = (1.58×96495)/6.023×10 23) = 2.53×10 -19 Дж,

l max = (6.626×10 -34 ×3×10 8)/2.53×10 -19 = 7.86×10 -7 м = 786 нм,

Длина волны соответствует красной границе видимого света.

Важной характеристикой комплексов, отражающей влияние лигандов на изменение электронного строения центрального иона комплексообразователя, является энергия стабилизации кристаллическим полем (ЭСКП) – выигрыш в энергии при заполнении электронами расщепленных d-орбиталей металла в комплексе данной симметрии по сравнению с заполнением электронами пятикратно вырожденных d-орбиталей металла в эквивалентном сферически симметричном электрическом поле. Например, для октаэдрических комплексов заселение каждым электроном t 2g орбиталей приводит к понижению энергии на величину 0.4D, а заселение e g орбиталей - к повышению энергии на 0.6D:

М z+	x	ЭСКП	М z+	x	ЭСКП
d 1	(t 2g) 1 (e g) 0	0.4D	d 10	(t 2g) 6 (e g) 4
d 2	(t 2g) 2 (e g) 0	0.8D	d 9	(t 2g) 6 (e g) 3	0.6D
d 3	(t 2g) 3 (e g) 0	1.2D	d 8	(t 2g) 6 (e g) 2	1.2D
d 4	(t 2g) 3 (e g) 1 (t 2g) 4 (e g) 0	0.6D 1.6D	d 7	(t 2g) 5 (e g) 2 (t 2g) 6 (e g) 1	0.8D 1.8D
d 5		2.0D	d 6	(t 2g) 4 (e g) 2 (t 2g) 4 (e g) 0	0.4D 2.4D

Величина ЭСКП является важным параметром ТКП для объяснения и предсказания различий в энергии между разными комплексами и, как следствие этого, в их свойствах.

Пример 5. Как и почему изменяются окислительно-восстановительные свойства аквакомплексов: 2+ , 3+ , 4+ ?

Решение. Поскольку вода является лигандом слабого поля, то аквакомплексы хрома являются высокоспиновыми и характеризуются следующими электронными конфигурациями иона металла и значениями ЭСКП: 2+ (t 2g) 3 (e g) 1 , ЭСКП = 0.6D; 3+ (t 2g) 3 (e g) 0 , ЭСКП = 1.2D; 4+ (t 2g) 2 (e g) 0 , ЭСКП = 0.8D. Чем больше величина ЭСКП, тем более устойчиво окислительное состояние хрома. Таким образом, наиболее устойчивым среди аквакомплексов хрома является комплекс хрома(III), для которого не характерны ни заметные окислительные ни восстановительные свойства. Наоборот, для менее устойчивых аквакомплексов Cr(II) характерны восстановительные свойства, а для аквакомплексов Cr(IV) – окислительные свойства, обеспечивающие их переход в более устойчивый комплекс хрома(III):

4+ + e ® 3+ + e 2+ .

Пример 6. Почему в ряду двухзарядных катионов ранних d-элементов с октаэдрическим окружением молекулами воды изменение радиуса с ростом заряда ядра происходит не монотонно: Sc 2+ (~90 пм) > Ti 2+ (86 пм) > V 2+ (79 пм) < Cr 2+ (80 пм) < Mn 2+ (83 пм)?

Решение. Если бы все катионы М 2+ имели сферическую симметрию распределения электронной плотности вокруг ядра, то увеличение заряда ядра приводило бы к монотонному уменьшению ионного радиуса. Однако, для катионов d-элементов расщепление d-орбиталей под действием электрического поля лигандов и различный характер заселения их электронами приводит к несимметричному распределению электронной плотности по отношению к ядру, что и определяет влияние электронной конфигурации катиона на величину его эффективного радиуса.

Октаэдрические аквакомплексы комплексы М 2+ катионов ранних 3d-элементов являются высокоспиновыми и характеризуются следующими электронными конфигурациями и значениями ЭСКП: Sc 2+ (t 2g) 1 (e g) 0 , ЭСКП = 0.4D; Ti 2+ (t 2g) 2 (e g) 0 , ЭСКП = 0.8D; V 2+ (t 2g) 3 (e g) 0 , ЭСКП = 1.2D; Cr 2+ (t 2g) 3 (e g) 1 , ЭСКП = 0.6D; Mn 2+ (t 2g) 3 (e g) 2 , ЭСКП = 0D. Таким образом, в ряду Sc 2+ ®Ti 2+ ®V 2+ в результате заселения электронами t 2g орбиталей происходит последовательное увеличение величины ЭСКП, что приводит к усилению дополнительного уменьшения значения их эффективных радиусов по сравнению с ожидаемым для сферически симметричных ионов. Последовательное уменьшение величины ЭСКП для ионов Cr 2+ и Mn 2+ определяет уменьшение влияния несимметричности электронного строения катиона на его радиус, что и приводит к последовательному увеличению их радиусов.

Наряду с магнитными, оптическими и термодинамическими свойствами, ТКП позволяет объяснить специфику стереохимического строения комплексов, характеризующихся как “правильными”, так и искаженными структурами. Например, для координационного числа 6, возможно образование комплексов как с “правильным” октаэдрическим строением (все шесть лигандов расположены на одинаковых расстояниях от иона металла), так и тетрагонально искаженных, характеризующихся разным расстоянием 2 аксиальных (по оси z) и 4 экваториальных (в плоскости xy) лигандов от иона металла. Предельным случаем тетрагонального искажения октаэдрического комплекса, в котором аксиальные лиганды удалены от центрального иона металла на бесконечно большое расстояние, является образование плоскоквадратной структуры.

Причиной тетрагонального искажения октаэдрических комплексов является неравномерное распределение электронов по t 2g и e g орбиталям иона металла. Комплексы с равномерным распределением электронов по t 2g и e g орбиталям – (t 2g) 3 (e g) 0 , (t 2g) 3 (e g) 2 , (t 2g) 6 (e g) 2 , (t 2g) 6 (e g) 0 , (t 2g) 6 (e g) 4 – характеризуются сферически симметричным характером распределения электронной плотности и образуют правильные октаэдрические структуры. Если на орбиталях e g типа, направленных непосредственно в сторону лигандов, находится 1 или 3 электрона - (t 2g) 3 (e g) 1 , (t 2g) 6 (e g) 1 , (t 2g) 6 (e g) 3 - то аксиальные и экваториальные лиганды испытывают разное отталкивание и, как следствие этого, будут иметь разную длину связи металл-лиганд. Неравномерное распределение электронов по t 2g орбиталям - (t 2g) 1 (e g) 0 , (t 2g) 2 (e g) 0 , (t 2g) 4 (e g) 0 , (t 2g) 4 (e g) 2 , (t 2g) 5 (e g) 0 , (t 2g) 5 (e g) 2 - также будет приводить к искажению комплекса. Однако, поскольку t 2g орбитали направлены между лигандами, то эффект искажения октаэдрической структуры комплекса в этом случае значительно слабее.

Тетрагональное искажение октаэдрических комплексов являются отражением общего эффекта Яна-Теллера – вырожденное электронное состояние нелинейной молекулы неустойчиво; для стабилизации такая система должна подвергнуться искажению, снимающему вырождение. В согласии с эффектом Яна-Теллера, терагональное искажение приводит к расщеплению дважды вырожденных e g и трижды вырожденных t 2g орбиталей (схема 1.)

Пример 7. Какие из следующих комплексов имеют правильное октаэдрическое строение, слабое и сильное тетрагональное искажение: а) 2+ , 2+ , 2+ , 2+ ; б) 4- , 4- , 4- , 4- ?

Решение. а) аквакомплексы двухзарядных катионов ранних d-элементов являются высокоспиновыми комплексами и характеризуются следующими электронными конфигурациями ионов металлов: 2+ (t 2g) 3 (e g) 2 , 2+ (t 2g) 3 (e g) 1 , 2+ (t 2g) 3 (e g) 0 , 2+ (t 2g) 2 (e g) 0 . Сферически симметричное распределение электронов в результате равномерного распределения электронов по t 2g и e g орбиталям определяет правильное октаэдрическое строение комплексов 2+ и 2+ ; неравномерный характер распределения электронов по t 2g орбиталям приводит к слабому искажению 2+ , а неравномерное распределение электронов по e g орбиталям – к сильному тетрагональному искажению 2+ ;

б) цианидные комплексы двухзарядных катионов ранних d-элементов являются низкоспиновыми комплексами и характеризуются следующими электронными конфигурациями ионов металлов: 4- (t 2g) 5 (e g) 0 , 4- (t 2g) 4 (e g) 0 , 4- (t 2g) 3 (e g) 0 , 4- (t 2g) 2 (e g) 0 . Равномерное распределение электронов по t 2g орбиталям определяет правильное октаэдрическое строение комплексов 4- ; все остальные комплексы характеризуются слабым искажением в результате неравномерного заселения электронами t 2g орбиталей.

Упражнения:

75. Расположите и обоснуйте расположение следующих комплексов в порядке увеличения параметра D: а) 3- , 3- , 3+ , 3- , 3- ; б) 4- , 4- , 4- ; в) VCl 4 , [СoCl 4 ] 2- ; г) 2- , 2- , 2- .

76. Опишите электронное строение, определите спиновую мультиплетность и охарактеризуйте магнитные свойства для следующих комплексов: 4- , 4- , 3- , 3- , 4- , 4- , 2- , 2+ , 3- , 2- , 2- , 2+ .

77. Определите в каждой из пар следующих комплексов – какие комплексы имеют характерную окраску, а какие бесцветны: а) 2- и 2- ; б) 3- и 3+ ; в) - и - .

78. Определить максимум полосы поглощения комплекса 3- , если параметр D для данного комплекса составляет 2.108 Эв. Какой области спектра видимого света соответствуют поглощаемые комплексом кванты?

79. Как и почему изменяются окислительно-восстановительные свойства комплексов кобальта: а) 2+ и 3+ ; б) 4- и 3- ?

80. Почему, несмотря на устойчивость октаэдрических комплексов Pt(IV) и плоскоквадратных комплексов Pt(II) с галогенидными лигандами, комплексы Pt(III) как октадрического, так и плоскоквадратного строения крайне неустойчивы?

81. Почему в ряду двухзарядных катионов поздних d-элементов с октаэдрическим окружением молекулами воды изменение радиуса с ростом заряда ядра происходит не монотонно: Mn 2+ (83 пм) > Fe 2+ (78 пм) > Co 2+ (75 пм) > Ni 2+ (69 пм) < Cu 2+ (73 пм) < Zn 2+ (74 пм)?

82. Какие из следующих комплексов имеют правильное октаэдрическое строение, слабое и сильное тетрагональное искажение: 2+ , 2+ , 4- , 4- , 3+ , 3- , 4- , 4- , 2- ?

83. Почему хлоридный комплекс Ni(II) имеет тетраэдрическое строение, а хлоридные комплексы Pd(II) и Pt(II) – плоскоквадратное? С какими лигандами комплексы Ni(II) будут иметь плоскоквадратное строение?

Возможно, будет полезно почитать: