Penjelasan Teori Medan Kristal: Pemisahan Orbital d, CFSE, dan Spin Tinggi vs Spin Rendah
Jawaban singkat: Dalam kompleks oktahedral, kelima orbital d terpisah menjadi t2g (−0,4Δo) dan eg (+0,6Δo). Jika Δo lebih besar daripada energi pemasangan P, elektron berpasangan di t2g (spin rendah); jika lebih kecil, elektron menyebar (spin tinggi). CFSE = (−0,4 n(t2g) + 0,6 n(eg)) Δo + mP, dan μ = √(n(n + 2)) BM. Contoh: [Fe(CN)₆]⁴⁻ adalah d⁶ spin rendah dengan CFSE −2,4Δo + 2P dan tanpa elektron tak berpasangan. Diagram pemisahan medan kristal yang gratis melakukannya untuk logam, geometri, dan ligan umum apa pun.
Istilah kunci dalam satu tempat
| Pemisahan medan kristal (Δ) | Selisih energi antar-set orbital d yang disebabkan oleh ligan. Δo untuk oktahedral, Δt untuk tetrahedral. 1 Δo = 10 Dq. |
|---|---|
| t2g dan eg | Set oktahedral: t2g (dxy, dxz, dyz) pada −0,4Δo dan eg (dz², dx²−y²) pada +0,6Δo. |
| Energi pemasangan (P) | Energi yang diperlukan untuk menempatkan dua elektron dalam orbital yang sama. |
| Spin tinggi dan spin rendah | Spin tinggi: Δ < P, elektron tak berpasangan maksimum. Spin rendah: Δ > P, elektron berpasangan di set yang lebih rendah. |
| CFSE | Energi stabilisasi medan kristal: energi yang diperoleh elektron d dibandingkan dengan medan bola. |
| Momen spin-only | μ = √(n(n + 2)) BM, dengan n adalah jumlah elektron tak berpasangan. |
Aturannya langkah demi langkah
- Tentukan dⁿ. dⁿ = nomor golongan − bilangan oksidasi. Fe²⁺: 8 − 2 = d⁶. Cu²⁺: 11 − 2 = d⁹. Mn dalam MnO₄⁻ (+7): d⁰.
- Pilih pola pemisahan. Oktahedral: t2g di bawah eg. Tetrahedral: e di bawah t2, dengan Δt ≈ 4/9 Δo. Segi empat planar: dx²−y² jauh di atas yang lain.
- Tentukan keadaan spin. Hanya d⁴, d⁵, d⁶, dan d⁷ oktahedral yang memiliki pilihan. Ligan medan kuat (CN⁻, CO, NO₂⁻, en, bipy) dan ion 3+ mendukung spin rendah. Ligan medan lemah (I⁻, Br⁻, Cl⁻, F⁻, H₂O) mendukung spin tinggi. Kompleks tetrahedral selalu berspin tinggi. Logam 4d dan 5d berspin rendah.
- Isi orbitalnya. Spin tinggi: satu elektron di setiap orbital dari kelima orbital lebih dulu. Spin rendah: isi penuh set yang lebih rendah lebih dulu.
- Hitung. CFSE = (−0,4 n(t2g) + 0,6 n(eg)) Δo + mP, dengan m adalah jumlah pasangan tambahan dibandingkan ion bebas. Lalu hitung elektron tak berpasangan dan gunakan μ = √(n(n + 2)).
Deret spektrokimia (lemah ke kuat): I⁻ < Br⁻ < SCN⁻ < Cl⁻ < F⁻ < OH⁻ < C₂O₄²⁻ < H₂O < NCS⁻ < py < NH₃ < en < bipy < phen < NO₂⁻ < PPh₃ < CN⁻ < CO.
Cara memakai alat diagram pemisahan medan kristal
- Buka diagram pemisahan medan kristal.
- Pilih Logam dan Bilangan oksidasi. Menu menampilkan jumlah dⁿ di samping setiap bilangan oksidasi.
- Pilih Geometri: oktahedral, tetrahedral, segi empat planar, bipiramida segitiga, atau piramida segi empat.
- Pilih Ligan. Untuk kompleks campuran, atur Ligan kedua (opsional) dan Jumlahnya.
- Biarkan Keadaan spin pada Otomatis (Δ vs energi pemasangan), atau pilih Spin tinggi atau Spin rendah untuk membandingkan.
- Atau tekan sebuah contoh seperti [Fe(CN)₆]⁴⁻, [CoF₆]³⁻, atau [Ni(CN)₄]²⁻.
- Baca konfigurasi, CFSE, elektron tak berpasangan, μ, catatan Jahn–Teller, dan catatan warna. Simpan dengan Unduh SVG atau Unduh PNG.
Contoh soal
1. [Fe(CN)₆]⁴⁻ dibandingkan [Fe(H₂O)₆]²⁺
Keduanya mengandung Fe²⁺ (d⁶). Dengan air, Δo ≈ 10 400 cm⁻¹ berada di bawah P ≈ 17 600 cm⁻¹, sehingga kompleks berspin tinggi: t2g⁴ eg², CFSE = −0,4Δo, 4 elektron tak berpasangan, μ = 4,90 BM. Dengan sianida, Δo ≈ 32 800 cm⁻¹ berada di atas P, sehingga berspin rendah: t2g⁶, CFSE = −2,4Δo + 2P, 0 tak berpasangan, diamagnetik.
2. [CoF₆]³⁻ dibandingkan [Co(NH₃)₆]³⁺
Co³⁺ adalah d⁶. Fluorida adalah ligan medan lemah: spin tinggi, 4 elektron tak berpasangan, μ = √24 = 4,90 BM. Amonia memberikan Δo ≈ 22 900 cm⁻¹: spin rendah, 0 tak berpasangan. Co³⁺ berspin rendah dengan hampir semua ligan kecuali F⁻.
3. [Ni(CN)₄]²⁻ dibandingkan [NiCl₄]²⁻
Ni²⁺ adalah d⁸. Sianida menghasilkan kompleks segi empat planar: kedelapan elektron mengisi dxz, dyz, dz², dan dxy, sedangkan dx²−y² tetap kosong. Kompleks ini diamagnetik. Klorida menghasilkan kompleks tetrahedral: e⁴ t2⁴, 2 elektron tak berpasangan, μ = 2,83 BM, CFSE = −0,8Δt.
4. [Cu(H₂O)₆]²⁺ dan efek Jahn–Teller
Cu²⁺ adalah d⁹: t2g⁶ eg³. Set eg terisi tidak merata, sehingga oktahedron memanjang sepanjang satu sumbu (pemanjangan Jahn–Teller). CFSE = 6(−0,4) + 3(0,6) = −0,6Δo, 1 elektron tak berpasangan, μ = 1,73 BM.
5. Warna [Ti(H₂O)₆]³⁺
Ti³⁺ adalah d¹ dengan satu pita d–d pada Δo = 20 300 cm⁻¹. λ = 10⁷ / 20 300 ≈ 493 nm. Cahaya hijau-kuning diserap, sehingga larutan tampak ungu. CFSE = −0,4Δo ≈ −97 kJ/mol.
6. [MnO₄]⁻ tidak memiliki elektron d
Mn bernilai +7, sehingga ion ini d⁰ dan CFSE = 0. Warna ungu pekatnya berasal dari transfer muatan ligan ke logam, bukan dari transisi d–d.
Tabel ringkasan: kompleks oktahedral
| dⁿ | Spin tinggi (tak berpasangan, CFSE) | Spin rendah (tak berpasangan, CFSE) | Contoh |
|---|---|---|---|
| d¹ | 1, −0,4Δo | sama | [Ti(H₂O)₆]³⁺ |
| d³ | 3, −1,2Δo | sama | [Cr(H₂O)₆]³⁺, 3,87 BM |
| d⁴ | 4, −0,6Δo | 2, −1,6Δo + P | [Cr(H₂O)₆]²⁺ HS, [Mn(CN)₆]³⁻ LS |
| d⁵ | 5, 0 | 1, −2,0Δo + 2P | [Fe(H₂O)₆]³⁺ HS, [Fe(CN)₆]³⁻ LS |
| d⁶ | 4, −0,4Δo | 0, −2,4Δo + 2P | [CoF₆]³⁻ HS, [Co(NH₃)₆]³⁺ LS |
| d⁷ | 3, −0,8Δo | 1, −1,8Δo + P | [Co(H₂O)₆]²⁺ HS |
| d⁸ | 2, −1,2Δo | sama | [Ni(H₂O)₆]²⁺, 2,83 BM |
| d⁹ | 1, −0,6Δo | sama | [Cu(H₂O)₆]²⁺, Jahn–Teller |
| d¹⁰ | 0, 0 | sama | [Zn(H₂O)₆]²⁺, tidak berwarna |
Kesalahan umum
- Mengambil elektron dari 3d sebelum 4s. Ion logam transisi kehilangan elektron 4s lebih dulu: Fe²⁺ adalah 3d⁶, bukan 3d⁴4s².
- Menganggap kompleks tetrahedral berspin rendah.
- Mengabaikan suku energi pemasangan, atau menghitung semua pasangan alih-alih pasangan tambahan.
- Menuliskan CFSE tetrahedral dalam Δo tanpa konversi: −0,8Δt kira-kira −0,36Δo.
- Memakai label oktahedral untuk kompleks tetrahedral. Pada Td set bawah adalah e dan set atas adalah t2 (tanpa g, karena tidak ada pusat inversi).
- Mengatakan ion d⁰ dan d¹⁰ berwarna karena transisi d–d.
Tips ujian
- JEE dan NEET: soal momen magnet bermuara pada menghitung elektron tak berpasangan. Hafalkan 1,73, 2,83, 3,87, 4,90, dan 5,92 BM untuk n = 1 hingga 5.
- JEE dan NEET: Ni(II) dengan CN⁻ berbentuk segi empat planar dan diamagnetik (dsp² dalam teori ikatan valensi). Ni(II) dengan Cl⁻ berbentuk tetrahedral dan paramagnetik (sp³).
- A-level: warna berasal dari transisi d–d. Warna yang Anda lihat adalah warna komplementer dari cahaya yang diserap. Mengganti ligan mengubah Δ dan dengan demikian warnanya.
- AP Chemistry: Anda mungkin menjumpai konsep medan kristal dalam soal warna dan kemagnetan; kaitkan Δ yang lebih besar dengan serapan pada panjang gelombang yang lebih pendek.
- Universitas: sertakan energi pemasangan dalam CFSE, jelaskan efek Jahn–Teller untuk d⁹ dan d⁴ spin tinggi, dan gunakan teori medan ligan (donor π menurunkan Δ, akseptor π menaikkannya).
Uji kompleks apa pun dengan diagram pemisahan medan kristal dan unduh diagramnya untuk catatan Anda.
Tanya jawab
Apa itu pemisahan medan kristal?
Pemisahan medan kristal adalah selisih energi antara kelompok orbital d yang disebabkan oleh ligan di sekitar ion logam. Dalam kompleks oktahedral, t2g (dxy, dxz, dyz) turun sebesar 0,4Δo dan eg (dz², dx²−y²) naik sebesar 0,6Δo.
Bagaimana cara menghitung CFSE?
Untuk kompleks oktahedral, CFSE = (−0,4 × elektron di t2g + 0,6 × elektron di eg) Δo + mP, dengan m adalah jumlah pasangan elektron tambahan dibandingkan ion bebas. d⁶ spin rendah memberikan −2,4Δo + 2P.
Apa yang menentukan spin tinggi atau spin rendah?
Besarnya Δo dibandingkan energi pemasangan P. Jika Δo < P kompleks berspin tinggi; jika Δo > P kompleks berspin rendah. Ligan medan kuat seperti CN⁻ dan CO, muatan 3+, serta logam 4d atau 5d mendukung spin rendah.
Mengapa kompleks tetrahedral selalu berspin tinggi?
Δt hanya sekitar 4/9 dari Δo untuk logam dan ligan yang sama, karena ligannya lebih sedikit dan tidak ada yang mengarah langsung ke orbital d. Δt hampir selalu lebih kecil daripada energi pemasangan.
Berapa elektron tak berpasangan pada [CoF₆]³⁻?
Empat. Co³⁺ adalah d⁶ dan F⁻ adalah ligan medan lemah, sehingga konfigurasinya t2g⁴ eg². Momen magnet spin-only adalah √(4 × 6) = 4,90 BM.
Mengapa [Cu(H₂O)₆]²⁺ menunjukkan distorsi Jahn–Teller?
Cu²⁺ adalah d⁹, t2g⁶ eg³. Ketiga elektron eg tidak dapat mengisi dz² dan dx²−y² secara merata, sehingga kompleks menurunkan energinya dengan memanjang sepanjang satu sumbu.
Mengapa [Ti(H₂O)₆]³⁺ berwarna ungu?
Ion ini d¹ dengan Δo = 20 300 cm⁻¹, sehingga menyerap cahaya dekat 493 nm (hijau-kuning). Cahaya yang diteruskan tampak ungu.