Kristalveldtheorie uitgelegd: splitsing van d-orbitalen, CFSE en high vs. low spin

Gepubliceerd: 19 okt. 2026 · Auteur: Scidart Academy · Leestijd: ~7 min
Octaëdrisch kristalveldsplitsingsdiagram voor low-spin ijzer(II) in hexacyanoferraat, met zes gepaarde elektronen in de t2g-set en een lege eg-set erboven
[Fe(CN)₆]⁴⁻ is low-spin d⁶: zes gepaarde elektronen in t2g, CFSE −2,4Δo + 2P.

Kort antwoord: in een octaëdrisch complex splitsen de vijf d-orbitalen in t2g (−0,4Δo) en eg (+0,6Δo). Is Δo groter dan de paringsenergie P, dan paren de elektronen in t2g (low spin); is die kleiner, dan spreiden ze zich (high spin). CFSE = (−0,4 n(t2g) + 0,6 n(eg)) Δo + mP, en μ = √(n(n + 2)) BM. Voorbeeld: [Fe(CN)₆]⁴⁻ is low-spin d⁶ met CFSE −2,4Δo + 2P en geen ongepaarde elektronen. Het gratis kristalveldsplitsingsdiagram doet dit voor elk gangbaar metaal, elke geometrie en elk ligand.

De belangrijkste begrippen op één plek

Kristalveldsplitsing (Δ)Het energieverschil tussen sets d-orbitalen, veroorzaakt door de liganden. Δo voor octaëdrisch, Δt voor tetraëdrisch. 1 Δo = 10 Dq.
t2g en egOctaëdrische sets: t2g (dxy, dxz, dyz) op −0,4Δo en eg (dz², dx²−y²) op +0,6Δo.
Paringsenergie (P)De energie die het kost om twee elektronen in dezelfde orbitaal te plaatsen.
High spin en low spinHigh spin: Δ < P, maximaal aantal ongepaarde elektronen. Low spin: Δ > P, elektronen paren in de onderste set.
CFSEKristalveldstabilisatie-energie: de energie die de d-elektronen winnen ten opzichte van een bolsymmetrisch veld.
Spin-only-momentμ = √(n(n + 2)) BM, waarbij n het aantal ongepaarde elektronen is.

De regels stap voor stap

  1. Bepaal dⁿ. dⁿ = groepsnummer − oxidatietoestand. Fe²⁺: 8 − 2 = d⁶. Cu²⁺: 11 − 2 = d⁹. Mn in MnO₄⁻ (+7): d⁰.
  2. Kies het splitsingspatroon. Octaëdrisch: t2g onder eg. Tetraëdrisch: e onder t2, met Δt ≈ 4/9 Δo. Vierkant vlak: dx²−y² ver boven de rest.
  3. Bepaal de spintoestand. Alleen octaëdrisch d⁴, d⁵, d⁶ en d⁷ hebben een keuze. Sterkveldliganden (CN⁻, CO, NO₂⁻, en, bipy) en 3+-ionen bevorderen low spin. Zwakveldliganden (I⁻, Br⁻, Cl⁻, F⁻, H₂O) bevorderen high spin. Tetraëdrische complexen zijn altijd high spin. 4d- en 5d-metalen zijn low spin.
  4. Vul de orbitalen. High spin: eerst één elektron in elk van de vijf orbitalen. Low spin: vul eerst de onderste set helemaal.
  5. Reken. CFSE = (−0,4 n(t2g) + 0,6 n(eg)) Δo + mP, waarbij m het aantal extra paren is ten opzichte van het vrije ion. Tel daarna de ongepaarde elektronen en gebruik μ = √(n(n + 2)).

Spectrochemische reeks (van zwak naar sterk): I⁻ < Br⁻ < SCN⁻ < Cl⁻ < F⁻ < OH⁻ < C₂O₄²⁻ < H₂O < NCS⁻ < py < NH₃ < en < bipy < phen < NO₂⁻ < PPh₃ < CN⁻ < CO.

[Fe(H₂O)₆]²⁺ · Octaëdrisch · d⁶ high spinFe(II) · CFSE −0,4Δo · 4 ongepaard · μ = 4,90 BMvrij ion (bolsymmetrisch veld)stippellijn = zwaartepuntdxydxzdyzt2g−0.4Δodz²dx²−y²eg+0,6ΔoΔo≈10,4k cm⁻¹Configuratie: t2g⁴ eg² · paramagnetischEnergieën ten opzichte van het zwaartepunt (Δo = 10 Dq)
[Fe(H₂O)₆]²⁺: het zwakveldligand water geeft high-spin d⁶, t2g⁴ eg², 4 ongepaarde elektronen en μ = 4,90 BM.
[Fe(CN)₆]⁴⁻ · Octaëdrisch · d⁶ low spinFe(II) · CFSE −2,4Δo + 2P · 0 ongepaard · μ = 0,00 BMvrij ion (bolsymmetrisch veld)stippellijn = zwaartepuntdxydxzdyzt2g−0.4Δodz²dx²−y²eg+0,6ΔoΔo≈32,8k cm⁻¹Configuratie: t2g⁶ eg⁰ · diamagnetischEnergieën ten opzichte van het zwaartepunt (Δo = 10 Dq)
[Fe(CN)₆]⁴⁻: het sterkveldligand cyanide geeft low-spin d⁶, t2g⁶ eg⁰, CFSE −2,4Δo + 2P en geen ongepaarde elektronen.

Zo gebruik je de tool voor kristalveldsplitsingsdiagrammen

  1. Open het kristalveldsplitsingsdiagram.
  2. Kies het Metaal en de Oxidatietoestand. Het menu toont het aantal d-elektronen (dⁿ) naast elke toestand.
  3. Kies de Geometrie: octaëdrisch, tetraëdrisch, vierkant vlak, trigonaal bipiramidaal of vierkant piramidaal.
  4. Kies het Ligand. Stel voor een gemengd complex een Tweede ligand (optioneel) en Hoeveel daarvan in.
  5. Laat Spintoestand op Automatisch (Δ tegenover paringsenergie) staan, of kies High spin of Low spin om te vergelijken.
  6. Of druk op een voorbeeld zoals [Fe(CN)₆]⁴⁻, [CoF₆]³⁻ of [Ni(CN)₄]²⁻.
  7. Lees de configuratie, CFSE, ongepaarde elektronen, μ, de opmerking over Jahn-Teller en de opmerking over kleur af. Sla op met SVG downloaden of PNG downloaden.

Uitgewerkte voorbeelden

1. [Fe(CN)₆]⁴⁻ tegenover [Fe(H₂O)₆]²⁺

Beide bevatten Fe²⁺ (d⁶). Met water ligt Δo ≈ 10 400 cm⁻¹ onder P ≈ 17 600 cm⁻¹, dus het complex is high spin: t2g⁴ eg², CFSE = −0,4Δo, 4 ongepaarde elektronen, μ = 4,90 BM. Met cyanide ligt Δo ≈ 32 800 cm⁻¹ boven P, dus het is low spin: t2g⁶, CFSE = −2,4Δo + 2P, 0 ongepaard, diamagnetisch.

2. [CoF₆]³⁻ tegenover [Co(NH₃)₆]³⁺

Co³⁺ is d⁶. Fluoride is een zwakveldligand: high spin, 4 ongepaarde elektronen, μ = √24 = 4,90 BM. Ammoniak geeft Δo ≈ 22 900 cm⁻¹: low spin, 0 ongepaard. Co³⁺ is low spin met bijna elk ligand behalve F⁻.

3. [Ni(CN)₄]²⁻ tegenover [NiCl₄]²⁻

Ni²⁺ is d⁸. Cyanide geeft een vierkant-vlak complex: de acht elektronen vullen dxz, dyz, dz² en dxy, en dx²−y² blijft leeg. Het is diamagnetisch. Chloride geeft een tetraëdrisch complex: e⁴ t2⁴, 2 ongepaarde elektronen, μ = 2,83 BM, CFSE = −0,8Δt.

4. [Cu(H₂O)₆]²⁺ en het Jahn-Tellereffect

Cu²⁺ is d⁹: t2g⁶ eg³. De eg-set is ongelijk gevuld, dus de octaëder rekt uit langs één as (Jahn-Tellerelongatie). CFSE = 6(−0,4) + 3(0,6) = −0,6Δo, 1 ongepaard elektron, μ = 1,73 BM.

5. Kleur van [Ti(H₂O)₆]³⁺

Ti³⁺ is d¹ met één d-d-band bij Δo = 20 300 cm⁻¹. λ = 10⁷ / 20 300 ≈ 493 nm. Groengeel licht wordt geabsorbeerd, dus de oplossing ziet er paars uit. CFSE = −0,4Δo ≈ −97 kJ/mol.

6. [MnO₄]⁻ heeft geen d-elektronen

Mn is +7, dus het ion is d⁰ en CFSE = 0. De dieppaarse kleur komt van ladingsoverdracht van ligand naar metaal, niet van d-d-overgangen.

Overzichtstabel: octaëdrische complexen

dⁿHigh spin (ongepaard, CFSE)Low spin (ongepaard, CFSE)Voorbeeld
d¹1, −0,4Δohetzelfde[Ti(H₂O)₆]³⁺
d³3, −1,2Δohetzelfde[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, −1,2Δohetzelfde[Ni(H₂O)₆]²⁺, 2,83 BM
d⁹1, −0,6Δohetzelfde[Cu(H₂O)₆]²⁺, Jahn-Teller
d¹⁰0, 0hetzelfde[Zn(H₂O)₆]²⁺, kleurloos

Veelgemaakte fouten

  • Elektronen uit 3d halen vóór 4s. Overgangsmetaalionen verliezen eerst hun 4s-elektronen: Fe²⁺ is 3d⁶, niet 3d⁴4s².
  • Tetraëdrische complexen als low spin behandelen.
  • De term voor de paringsenergie weglaten, of alle paren tellen in plaats van de extra paren.
  • De tetraëdrische CFSE in Δo schrijven zonder om te rekenen: −0,8Δt is ongeveer −0,36Δo.
  • De octaëdrische labels gebruiken voor tetraëdrische complexen. In Td is de onderste set e en de bovenste t2 (zonder g, want er is geen inversiecentrum).
  • Zeggen dat d⁰- en d¹⁰-ionen gekleurd zijn door d-d-overgangen.

Examentips

  • JEE en NEET: vragen over magnetische momenten komen neer op het tellen van ongepaarde elektronen. Leer 1,73, 2,83, 3,87, 4,90 en 5,92 BM voor n = 1 tot 5 uit je hoofd.
  • JEE en NEET: Ni(II) met CN⁻ is vierkant vlak en diamagnetisch (dsp² in termen van de valentiebindingstheorie). Ni(II) met Cl⁻ is tetraëdrisch en paramagnetisch (sp³).
  • A-level: kleur komt van d-d-overgangen. De kleur die je ziet, is de complementaire kleur van het geabsorbeerde licht. Een ander ligand verandert Δ en dus de kleur.
  • AP Chemistry: je kunt kristalveldideeën tegenkomen bij vragen over kleur en magnetisme; koppel een grotere Δ aan absorptie bij een kortere golflengte.
  • Universiteit: neem de paringsenergie mee in de CFSE, verklaar het Jahn-Tellereffect bij d⁹ en high-spin d⁴, en gebruik de ligandveldtheorie (π-donoren verlagen Δ, π-acceptoren verhogen hem).

Test elk complex met het kristalveldsplitsingsdiagram en download het diagram voor je aantekeningen.

Vragen en antwoorden

Wat is kristalveldsplitsing?

Kristalveldsplitsing is het energieverschil tussen groepen d-orbitalen, veroorzaakt door de liganden rond een metaalion. In een octaëdrisch complex dalen t2g (dxy, dxz, dyz) met 0,4Δo en stijgen eg (dz², dx²−y²) met 0,6Δo.

Hoe bereken ik de CFSE?

Voor een octaëdrisch complex is CFSE = (−0,4 × elektronen in t2g + 0,6 × elektronen in eg) Δo + mP, waarbij m het aantal extra elektronenparen is ten opzichte van het vrije ion. Low-spin d⁶ geeft −2,4Δo + 2P.

Wat bepaalt of een complex high spin of low spin is?

De grootte van Δo ten opzichte van de paringsenergie P. Als Δo < P, is het complex high spin; als Δo > P, is het low spin. Sterkveldliganden zoals CN⁻ en CO, 3+-ladingen en 4d- of 5d-metalen bevorderen low spin.

Waarom zijn tetraëdrische complexen altijd high spin?

Δt is maar ongeveer 4/9 van Δo bij hetzelfde metaal en ligand, omdat er minder liganden zijn en geen enkele recht op de d-orbitalen wijst. Δt is bijna altijd kleiner dan de paringsenergie.

Hoeveel ongepaarde elektronen heeft [CoF₆]³⁻?

Vier. Co³⁺ is d⁶ en F⁻ is een zwakveldligand, dus de configuratie is t2g⁴ eg². Het spin-only magnetisch moment is √(4 × 6) = 4,90 BM.

Waarom vertoont [Cu(H₂O)₆]²⁺ een Jahn-Tellervervorming?

Cu²⁺ is d⁹, t2g⁶ eg³. De drie eg-elektronen kunnen dz² en dx²−y² niet gelijk vullen, dus het complex verlaagt zijn energie door langs één as uit te rekken.

Waarom is [Ti(H₂O)₆]³⁺ paars?

Het is d¹ met Δo = 20 300 cm⁻¹, dus het absorbeert licht rond 493 nm (groengeel). Het doorgelaten licht ziet er paars uit.

Laatst bijgewerkt: