Kristallfeldtheorie erklärt: Aufspaltung der d-Orbitale, CFSE und High- vs. Low-Spin

Veröffentlicht: 19. Okt. 2026 · Autor: Scidart Academy · Lesezeit: ca. 7 Min.
Oktaedrisches Kristallfeldaufspaltungs-Diagramm für Low-Spin-Eisen(II) in Hexacyanoferrat mit sechs gepaarten Elektronen im t2g-Satz und leerem eg-Satz darüber
[Fe(CN)₆]⁴⁻ ist Low-Spin-d⁶: sechs gepaarte Elektronen in t2g, CFSE −2,4Δo + 2P.

Kurzantwort: In einem oktaedrischen Komplex spalten die fünf d-Orbitale in t2g (−0,4Δo) und eg (+0,6Δo) auf. Ist Δo größer als die Spinpaarungsenergie P, paaren sich die Elektronen in t2g (Low-Spin); ist es kleiner, verteilen sie sich (High-Spin). CFSE = (−0,4 n(t2g) + 0,6 n(eg)) Δo + mP, und μ = √(n(n + 2)) BM. Beispiel: [Fe(CN)₆]⁴⁻ ist Low-Spin-d⁶ mit CFSE −2,4Δo + 2P und ohne ungepaarte Elektronen. Das kostenlose Kristallfeldaufspaltungs-Diagramm berechnet das für jedes gängige Metall, jede Geometrie und jeden Liganden.

Die wichtigsten Begriffe auf einen Blick

Kristallfeldaufspaltung (Δ)Der Energieabstand zwischen d-Orbitalsätzen, verursacht durch die Liganden. Δo für oktaedrisch, Δt für tetraedrisch. 1 Δo = 10 Dq.
t2g und egOktaedrische Sätze: t2g (dxy, dxz, dyz) bei −0,4Δo und eg (dz², dx²−y²) bei +0,6Δo.
Spinpaarungsenergie (P)Der Energieaufwand, zwei Elektronen in dasselbe Orbital zu bringen.
High-Spin und Low-SpinHigh-Spin: Δ < P, maximale Zahl ungepaarter Elektronen. Low-Spin: Δ > P, die Elektronen paaren sich im unteren Satz.
CFSEKristallfeldstabilisierungsenergie: die Energie, die die d-Elektronen im Vergleich zu einem kugelsymmetrischen Feld gewinnen.
Spin-only-Momentμ = √(n(n + 2)) BM, wobei n die Zahl der ungepaarten Elektronen ist.

Die Regeln Schritt für Schritt

  1. dⁿ bestimmen. dⁿ = Gruppennummer − Oxidationsstufe. Fe²⁺: 8 − 2 = d⁶. Cu²⁺: 11 − 2 = d⁹. Mn in MnO₄⁻ (+7): d⁰.
  2. Aufspaltungsmuster wählen. Oktaedrisch: t2g unter eg. Tetraedrisch: e unter t2, mit Δt ≈ 4/9 Δo. Quadratisch-planar: dx²−y² weit über den übrigen.
  3. Spinzustand festlegen. Nur oktaedrische d⁴-, d⁵-, d⁶- und d⁷-Komplexe haben die Wahl. Starkfeldliganden (CN⁻, CO, NO₂⁻, en, bipy) und 3+-Ionen begünstigen Low-Spin. Schwachfeldliganden (I⁻, Br⁻, Cl⁻, F⁻, H₂O) begünstigen High-Spin. Tetraedrische Komplexe sind immer High-Spin, 4d- und 5d-Metalle Low-Spin.
  4. Orbitale besetzen. High-Spin: zuerst je ein Elektron in jedes der fünf Orbitale. Low-Spin: zuerst den unteren Satz vollständig füllen.
  5. Berechnen. CFSE = (−0,4 n(t2g) + 0,6 n(eg)) Δo + mP, wobei m die Zahl der zusätzlichen Paare im Vergleich zum freien Ion ist. Dann die ungepaarten Elektronen zählen und μ = √(n(n + 2)) verwenden.

Spektrochemische Reihe (schwach bis stark): I⁻ < Br⁻ < SCN⁻ < Cl⁻ < F⁻ < OH⁻ < C₂O₄²⁻ < H₂O < NCS⁻ < py < NH₃ < en < bipy < phen < NO₂⁻ < PPh₃ < CN⁻ < CO.

[Fe(H₂O)₆]²⁺ · Oktaedrisch · d⁶ High-SpinFe(II) · CFSE −0,4Δo · 4 ungepaart · μ = 4,90 BMfreies Ion (kugelsymmetrisches Feld)gepunktete Linie = Schwerpunktdxydxzdyzt2g−0,4Δodz²dx²−y²eg+0,6ΔoΔo≈10,4k cm⁻¹Konfiguration: t2g⁴ eg² · paramagnetischEnergien relativ zum Schwerpunkt (Δo = 10 Dq)
[Fe(H₂O)₆]²⁺: Wasser als Schwachfeldligand ergibt High-Spin-d⁶, t2g⁴ eg², 4 ungepaarte Elektronen und μ = 4,90 BM.
[Fe(CN)₆]⁴⁻ · Oktaedrisch · d⁶ Low-SpinFe(II) · CFSE −2,4Δo + 2P · 0 ungepaart · μ = 0,00 BMfreies Ion (kugelsymmetrisches Feld)gepunktete Linie = Schwerpunktdxydxzdyzt2g−0,4Δodz²dx²−y²eg+0,6ΔoΔo≈32,8k cm⁻¹Konfiguration: t2g⁶ eg⁰ · diamagnetischEnergien relativ zum Schwerpunkt (Δo = 10 Dq)
[Fe(CN)₆]⁴⁻: Cyanid als Starkfeldligand ergibt Low-Spin-d⁶, t2g⁶ eg⁰, CFSE −2,4Δo + 2P und keine ungepaarten Elektronen.

So nutzt du das Kristallfeldaufspaltungs-Diagramm

  1. Öffne das Kristallfeldaufspaltungs-Diagramm.
  2. Wähle Metall und Oxidationsstufe. Das Menü zeigt neben jeder Stufe die dⁿ-Zahl.
  3. Wähle die Geometrie: oktaedrisch, tetraedrisch, quadratisch-planar, trigonal-bipyramidal oder quadratisch-pyramidal.
  4. Wähle den Ligand. Für einen gemischten Komplex legst du einen Zweiten Liganden (optional) und die Anzahl davon fest.
  5. Lass Spinzustand auf Automatisch (Δ gegen Spinpaarungsenergie) oder wähle zum Vergleich High-Spin oder Low-Spin.
  6. Oder klicke auf ein Beispiel wie [Fe(CN)₆]⁴⁻, [CoF₆]³⁻ oder [Ni(CN)₄]²⁻.
  7. Lies Konfiguration, CFSE, ungepaarte Elektronen, μ sowie die Hinweise zu Jahn-Teller-Effekt und Farbe ab. Speichere mit SVG herunterladen oder PNG herunterladen.

Rechenbeispiele

1. [Fe(CN)₆]⁴⁻ im Vergleich zu [Fe(H₂O)₆]²⁺

Beide enthalten Fe²⁺ (d⁶). Mit Wasser liegt Δo ≈ 10 400 cm⁻¹ unter P ≈ 17 600 cm⁻¹, der Komplex ist also High-Spin: t2g⁴ eg², CFSE = −0,4Δo, 4 ungepaarte Elektronen, μ = 4,90 BM. Mit Cyanid liegt Δo ≈ 32 800 cm⁻¹ über P, er ist also Low-Spin: t2g⁶, CFSE = −2,4Δo + 2P, 0 ungepaart, diamagnetisch.

2. [CoF₆]³⁻ im Vergleich zu [Co(NH₃)₆]³⁺

Co³⁺ ist d⁶. Fluorid ist ein Schwachfeldligand: High-Spin, 4 ungepaarte Elektronen, μ = √24 = 4,90 BM. Ammoniak ergibt Δo ≈ 22 900 cm⁻¹: Low-Spin, 0 ungepaart. Co³⁺ ist mit fast jedem Liganden außer F⁻ Low-Spin.

3. [Ni(CN)₄]²⁻ im Vergleich zu [NiCl₄]²⁻

Ni²⁺ ist d⁸. Cyanid ergibt einen quadratisch-planaren Komplex: Die acht Elektronen besetzen dxz, dyz, dz² und dxy, dx²−y² bleibt leer. Er ist diamagnetisch. Chlorid ergibt einen tetraedrischen Komplex: e⁴ t2⁴, 2 ungepaarte Elektronen, μ = 2,83 BM, CFSE = −0,8Δt.

4. [Cu(H₂O)₆]²⁺ und der Jahn-Teller-Effekt

Cu²⁺ ist d⁹: t2g⁶ eg³. Der eg-Satz ist ungleichmäßig besetzt, daher wird das Oktaeder entlang einer Achse gestreckt (Jahn-Teller-Streckung). CFSE = 6(−0,4) + 3(0,6) = −0,6Δo, 1 ungepaartes Elektron, μ = 1,73 BM.

5. Farbe von [Ti(H₂O)₆]³⁺

Ti³⁺ ist d¹ mit einer d-d-Bande bei Δo = 20 300 cm⁻¹. λ = 10⁷ / 20 300 ≈ 493 nm. Grüngelbes Licht wird absorbiert, daher erscheint die Lösung violett. CFSE = −0,4Δo ≈ −97 kJ/mol.

6. [MnO₄]⁻ hat keine d-Elektronen

Mn ist +7, das Ion ist also d⁰ und CFSE = 0. Seine tiefviolette Farbe stammt von einem Ligand-Metall-Charge-Transfer, nicht von d-d-Übergängen.

Übersichtstabelle: oktaedrische Komplexe

dⁿHigh-Spin (ungepaart, CFSE)Low-Spin (ungepaart, CFSE)Beispiel
d¹1, −0,4Δogleich[Ti(H₂O)₆]³⁺
d³3, −1,2Δogleich[Cr(H₂O)₆]³⁺, 3,87 BM
d⁴4, −0,6Δo2, −1,6Δo + P[Cr(H₂O)₆]²⁺ HS, [Mn(CN)₆]³⁻ LS
d⁵5, 01, −2,0Δo + 2P[Fe(H₂O)₆]³⁺ HS, [Fe(CN)₆]³⁻ LS
d⁶4, −0,4Δo0, −2,4Δo + 2P[CoF₆]³⁻ HS, [Co(NH₃)₆]³⁺ LS
d⁷3, −0,8Δo1, −1,8Δo + P[Co(H₂O)₆]²⁺ HS
d⁸2, −1,2Δogleich[Ni(H₂O)₆]²⁺, 2,83 BM
d⁹1, −0,6Δogleich[Cu(H₂O)₆]²⁺, Jahn-Teller
d¹⁰0, 0gleich[Zn(H₂O)₆]²⁺, farblos

Häufige Fehler

  • Elektronen aus 3d vor 4s entfernen. Übergangsmetallionen geben zuerst die 4s-Elektronen ab: Fe²⁺ ist 3d⁶, nicht 3d⁴4s².
  • Tetraedrische Komplexe als Low-Spin behandeln.
  • Den Term für die Spinpaarungsenergie weglassen oder alle Paare statt nur der zusätzlichen Paare zählen.
  • Die tetraedrische CFSE ohne Umrechnung in Δo angeben: −0,8Δt sind etwa −0,36Δo.
  • Die oktaedrischen Bezeichnungen für tetraedrische Komplexe verwenden. In Td heißt der untere Satz e und der obere t2 (ohne g, weil es kein Inversionszentrum gibt).
  • Behaupten, d⁰- und d¹⁰-Ionen seien wegen d-d-Übergängen farbig.

Prüfungstipps

  • JEE und NEET: Aufgaben zum magnetischen Moment laufen auf das Zählen ungepaarter Elektronen hinaus. Merke dir 1,73, 2,83, 3,87, 4,90 und 5,92 BM für n = 1 bis 5.
  • JEE und NEET: Ni(II) mit CN⁻ ist quadratisch-planar und diamagnetisch (dsp² im Valenzbindungsmodell). Ni(II) mit Cl⁻ ist tetraedrisch und paramagnetisch (sp³).
  • A-Level: Die Farbe entsteht durch d-d-Übergänge. Die sichtbare Farbe ist die Komplementärfarbe des absorbierten Lichts. Ein anderer Ligand ändert Δ und damit die Farbe.
  • AP Chemistry: Kristallfeld-Konzepte können in Aufgaben zu Farbe und Magnetismus vorkommen; verknüpfe ein größeres Δ mit Absorption bei kürzerer Wellenlänge.
  • Studium: Berücksichtige die Spinpaarungsenergie in der CFSE, erkläre den Jahn-Teller-Effekt für d⁹ und High-Spin-d⁴ und nutze die Ligandenfeldtheorie (π-Donoren verkleinern Δ, π-Akzeptoren vergrößern es).

Teste jeden Komplex mit dem Kristallfeldaufspaltungs-Diagramm und lade das Diagramm für deine Notizen herunter.

Fragen und Antworten

Was ist Kristallfeldaufspaltung?

Die Kristallfeldaufspaltung ist der Energieabstand zwischen Gruppen von d-Orbitalen, verursacht durch die Liganden um ein Metallion. In einem oktaedrischen Komplex sinken t2g (dxy, dxz, dyz) um 0,4Δo ab und eg (dz², dx²−y²) steigen um 0,6Δo an.

Wie berechne ich die CFSE?

Für einen oktaedrischen Komplex gilt CFSE = (−0,4 × Elektronen in t2g + 0,6 × Elektronen in eg) Δo + mP, wobei m die Zahl der zusätzlichen Elektronenpaare im Vergleich zum freien Ion ist. Low-Spin-d⁶ ergibt −2,4Δo + 2P.

Was entscheidet über High-Spin oder Low-Spin?

Die Größe von Δo im Vergleich zur Spinpaarungsenergie P. Ist Δo < P, ist der Komplex High-Spin, ist Δo > P, ist er Low-Spin. Starkfeldliganden wie CN⁻ und CO, 3+-Ladungen sowie 4d- und 5d-Metalle begünstigen Low-Spin.

Warum sind tetraedrische Komplexe immer High-Spin?

Δt beträgt für dasselbe Metall und denselben Liganden nur etwa 4/9 von Δo, weil es weniger Liganden gibt und keiner direkt auf die d-Orbitale zeigt. Δt ist fast immer kleiner als die Spinpaarungsenergie.

Wie viele ungepaarte Elektronen hat [CoF₆]³⁻?

Vier. Co³⁺ ist d⁶ und F⁻ ein Schwachfeldligand, die Konfiguration ist also t2g⁴ eg². Das Spin-only-Moment beträgt √(4 × 6) = 4,90 BM.

Warum zeigt [Cu(H₂O)₆]²⁺ eine Jahn-Teller-Verzerrung?

Cu²⁺ ist d⁹, t2g⁶ eg³. Die drei eg-Elektronen können dz² und dx²−y² nicht gleichmäßig besetzen, daher senkt der Komplex seine Energie durch Streckung entlang einer Achse.

Warum ist [Ti(H₂O)₆]³⁺ violett?

Es ist d¹ mit Δo = 20 300 cm⁻¹ und absorbiert daher Licht bei etwa 493 nm (grüngelb). Das durchgelassene Licht erscheint violett.

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