MolDraw › Scheikundetools › Kristalveldsplitsingsdiagram
Kristalveldsplitsingsdiagram (CFSE en spintoestand)
Kort gezegd: Tool voor kristalveldsplitsingsdiagrammen van octaëdrische, tetraëdrische, vlak-vierkante, trigonaal-bipiramidale en vierkant-piramidale complexen. Hij bepaalt het aantal d-elektronen, vult t2g en eg (of e en t2) voor high of low spin en geeft de CFSE met paringsenergie, ongepaarde elektronen, spin-only magnetisch moment, een Jahn-Tellerhint en een opmerking over de kleur. Gratis, werkt in je webbrowser en zonder download.
Kies het metaalion, de geometrie en de liganden. Het diagram toont het d-niveau van het vrije ion, de gesplitste d-orbitalen met hun labels en de elektronen als pijlen. Het resultaat verklaart de spintoestand met de regel Δ tegenover paringsenergie.
Voorbeelden
Lagere niveaus zijn groenblauw en hogere niveaus rood. Energieën zijn ongeveer op schaal getekend rond het zwaartepunt (de gemiddelde energie van de vijf d-orbitalen); niveaus die heel dicht bij elkaar liggen, worden uit elkaar gezet zodat ze leesbaar blijven. Δ-waarden zijn gemeten waar bekend, anders ruwe schattingen.
Zo gebruik je het kristalvelddiagram
- Kies het Metaal en de Oxidatietoestand. De tool berekent het aantal d-elektronen: dⁿ = groepsnummer − oxidatietoestand (Fe²⁺: 8 − 2 = d⁶).
- Kies de Geometrie en het Ligand. Voeg bij gemengde complexen zoals [Co(NH₃)₅Cl]²⁺ een Tweede ligand toe en stel Hoeveel daarvan in.
- Laat Spintoestand op Automatisch staan om de regel Δ tegenover paringsenergie toe te passen, of stel zelf high of low spin in.
- Lees de configuratie, CFSE, ongepaarde elektronen, het magnetisch moment, de Jahn-Tellerhint en de kleuropmerking af. Sla het diagram op met SVG downloaden of PNG downloaden.
Kristalveldtheorie in het kort
In een vrij metaalion hebben de vijf d-orbitalen dezelfde energie. Liganden die het metaal naderen, stoten de d-elektronen af. Orbitalen die naar de liganden wijzen, stijgen in energie en de andere dalen, terwijl de gemiddelde energie (het zwaartepunt) gelijk blijft. Het energieverschil is de kristalveldsplitsing, Δ.
Splitsingspatronen
| Geometrie | Lagere set | Hogere set | Energieën |
|---|---|---|---|
| Octaëdrisch | t2g (dxy, dxz, dyz) | eg (dz², dx²−y²) | t2g −0.4Δo, eg +0.6Δo (Δo = 10 Dq) |
| Tetraëdrisch | e (dz², dx²−y²) | t2 (dxy, dxz, dyz) | e −0.6Δt, t2 +0.4Δt, Δt ≈ 4/9 Δo |
| Vlak-vierkant | dxz, dyz < dz² < dxy | dx²−y² (hoogste) | −5.14, −4.28, +2.28, +12.28 Dq |
| Trigonaal bipiramidaal | e″ (dxz, dyz) < e′ (dxy, dx²−y²) | a1′ (dz²) | −2.72, −0.82, +7.07 Dq |
| Vierkant piramidaal | e (dxz, dyz) < b2 (dxy) < a1 (dz²) | b1 (dx²−y²) | −4.57, −0.86, +0.86, +9.14 Dq |
Spectrochemische reeks
I⁻ < Br⁻ < SCN⁻ < Cl⁻ < F⁻ < OH⁻ < C₂O₄²⁻ < H₂O < NCS⁻ < py < NH₃ < en < bipy < phen < NO₂⁻ < PPh₃ < CN⁻ < CO. Liganden links zijn zwakveldliganden (kleine Δ); liganden rechts zijn sterkveldliganden (grote Δ). Δ neemt ook toe met de lading van het metaal (M³⁺ > M²⁺) en naar beneden in een groep (5d > 4d > 3d).
High spin of low spin
Vergelijk voor octaëdrisch d⁴ tot d⁷ Δo met de paringsenergie P. Als Δo < P, verspreiden de elektronen zich eerst: high spin. Als Δo > P, paren ze in t2g: low spin. Tetraëdrische complexen zijn altijd high spin omdat Δt klein is. 4d- en 5d-metalen en vlak-vierkante d⁸-complexen zijn low spin.
CFSE (octahedral) = (−0.4 × n(t2g) + 0.6 × n(eg)) Δo + m P μ(spin-only) = √(n(n + 2)) BM
Hier is m het aantal elektronenparen dat wordt gevormd bovenop de paren die al in het vrije ion aanwezig zijn, en n het aantal ongepaarde elektronen. Voor tetraëdrische complexen geldt CFSE = (−0.6 × n(e) + 0.4 × n(t2)) Δt.
Octaëdrische CFSE voor d¹ tot d¹⁰
| dⁿ | High spin | CFSE (high spin) | Ongepaard (HS) | Low spin en CFSE | Ongepaard (LS) |
|---|---|---|---|---|---|
| d¹ | t2g¹ | −0.4Δo | 1 | gelijk aan high spin | 1 |
| d² | t2g² | −0.8Δo | 2 | gelijk aan high spin | 2 |
| d³ | t2g³ | −1.2Δo | 3 | gelijk aan high spin | 3 |
| d⁴ | t2g³ eg¹ | −0.6Δo | 4 | t2g⁴ eg⁰: −1.6Δo + P | 2 |
| d⁵ | t2g³ eg² | 0 | 5 | t2g⁵ eg⁰: −2.0Δo + 2P | 1 |
| d⁶ | t2g⁴ eg² | −0.4Δo | 4 | t2g⁶ eg⁰: −2.4Δo + 2P | 0 |
| d⁷ | t2g⁵ eg² | −0.8Δo | 3 | t2g⁶ eg¹: −1.8Δo + P | 1 |
| d⁸ | t2g⁶ eg² | −1.2Δo | 2 | gelijk aan high spin | 2 |
| d⁹ | t2g⁶ eg³ | −0.6Δo | 1 | gelijk aan high spin | 1 |
| d¹⁰ | t2g⁶ eg⁴ | 0 | 0 | gelijk aan high spin | 0 |
Jahn-Tellervervorming
Een niet-lineair complex met een ongelijk gevulde ontaarde set vervormt om zijn energie te verlagen. Het effect is sterk wanneer eg ongelijk gevuld is: d⁹ (Cu²⁺), high-spin d⁴ (Cr²⁺, Mn³⁺) en low-spin d⁷. Zesgecoördineerde Cu²⁺-complexen zijn meestal langs één as uitgerekt.
Uitgewerkte voorbeelden
[Fe(H₂O)₆]²⁺
Fe²⁺ is d⁶. Water is een zwakveldligand: Δo ≈ 10 400 cm⁻¹ < P ≈ 17 600 cm⁻¹, dus high spin t2g⁴ eg².
CFSE = 4(−0.4) + 2(0.6) = −0.4Δo.
4 ongepaard, μ = √24 = 4,90 BM
[Fe(CN)₆]⁴⁻
d⁶ met het sterkveldligand CN⁻: low spin t2g⁶ eg⁰. Drie paren tegenover één in het vrije ion, dus 2 extra paren.
CFSE = 6(−0.4)Δo + 2P.
−2.4Δo + 2P, 0 ongepaard, diamagnetisch
[CoF₆]³⁻ tegenover [Co(NH₃)₆]³⁺
Beide zijn Co³⁺ d⁶. F⁻ geeft Δo ≈ 13 000 cm⁻¹ (onder P): high spin. NH₃ geeft Δo ≈ 22 900 cm⁻¹: low spin.
[CoF₆]³⁻: 4 ongepaard, 4,90 BM. [Co(NH₃)₆]³⁺: 0 ongepaard
[Ni(CN)₄]²⁻ tegenover [NiCl₄]²⁻
Beide zijn Ni²⁺ d⁸. CN⁻ geeft vlak-vierkant, dx²−y² leeg. Cl⁻ geeft tetraëdrisch e⁴ t2⁴.
[Ni(CN)₄]²⁻ diamagnetisch; [NiCl₄]²⁻ 2 ongepaard, 2,83 BM, CFSE −0.8Δt
[Cu(H₂O)₆]²⁺
d⁹: t2g⁶ eg³. De eg-set is ongelijk gevuld.
CFSE = 6(−0.4) + 3(0.6) = −0.6Δo.
1 ongepaard, 1,73 BM, sterke Jahn-Telleruitrekking
Kleur van [Ti(H₂O)₆]³⁺
d¹ met Δo = 20 300 cm⁻¹. λ = 10⁷ / 20 300 = 493 nm, dus groengeel licht wordt geabsorbeerd.
CFSE = −0.4Δo = −0.4 × 243 kJ/mol = −97 kJ/mol.
De oplossing ziet er paars uit
Veelgemaakte fouten
- Verkeerd aantal d-elektronen. Haal eerst de 4s-elektronen weg: Fe is [Ar]3d⁶4s², Fe²⁺ is 3d⁶ en Fe³⁺ is 3d⁵.
- Tetraëdrische complexen low spin maken. Δt ≈ 4/9 Δo ligt bijna altijd onder de paringsenergie, dus tetraëdrische complexen zijn high spin.
- De paringsenergieterm vergeten. De CFSE van low-spin d⁶ is −2.4Δo + 2P, niet alleen −2.4Δo. Tel alleen de paren die extra zijn ten opzichte van het vrije ion.
- Δt en Δo door elkaar halen. −0.8Δt voor [NiCl₄]²⁻ is ongeveer −0.36Δo, niet −0.8Δo.
- De tetraëdrische labels omdraaien. In een tetraëdrisch veld ligt de e-set (dz², dx²−y²) lager en t2 hoger, het omgekeerde van octaëdrisch.
- Kleur verwachten bij d⁰ of d¹⁰. Zn²⁺ is kleurloos. Het paars van MnO₄⁻ (d⁰) komt van ladingsoverdracht, niet van d-d-overgangen.
Coördinatieverbindingen tekenen? Teken liganden, metaalcomplexen en reactieschema's in MolDraw, een gratis online editor voor chemische structuren.
MolDraw-editor openenVeelgestelde vragen
Wat is de CFSE van [Fe(CN)₆]⁴⁻?
Fe²⁺ is d⁶ en CN⁻ is een sterkveldligand, dus het complex is low spin t2g⁶ eg⁰. CFSE = 6 × (−0.4Δo) + 2P = −2.4Δo + 2P, met 0 ongepaarde elektronen.
Hoe weet ik of een complex high spin of low spin is?
Vergelijk Δo met de paringsenergie P. Zwakveldliganden zoals H₂O, F⁻ en Cl⁻ geven meestal high spin; sterkveldliganden zoals CN⁻ en CO geven low spin. Tetraëdrische complexen zijn altijd high spin, en 4d- en 5d-metalen zijn low spin.
Waarom is [CoF₆]³⁻ high spin maar [Co(NH₃)₆]³⁺ low spin?
Beide bevatten Co³⁺ (d⁶). F⁻ is een zwakveldligand, dus Δo (ongeveer 13 000 cm⁻¹) ligt onder de paringsenergie: 4 ongepaarde elektronen en μ = 4,90 BM. NH₃ geeft Δo van ongeveer 22 900 cm⁻¹, dus alle zes elektronen paren in t2g.
Hoe bereken ik het spin-only magnetisch moment?
Gebruik μ = √(n(n + 2)) BM, waarbij n het aantal ongepaarde elektronen is. n = 1 geeft 1,73 BM, 2 geeft 2,83, 3 geeft 3,87, 4 geeft 4,90 en 5 geeft 5,92 BM.
Waarom is [Ni(CN)₄]²⁻ vlak-vierkant en diamagnetisch?
Ni²⁺ is d⁸. Met het sterkveldligand CN⁻ laat de vlak-vierkante rangschikking de zeer hoge dx²−y²-orbitaal leeg, zodat alle acht elektronen paren in de vier lagere orbitalen. [NiCl₄]²⁻ is tetraëdrisch met 2 ongepaarde elektronen.
Welke complexen vertonen een Jahn-Tellervervorming?
Een sterke Jahn-Tellervervorming treedt op wanneer de eg-set in een octaëdrisch complex ongelijk gevuld is: d⁹ (Cu²⁺), high-spin d⁴ (Cr²⁺, Mn³⁺) en low-spin d⁷ (Co²⁺ met sterke liganden).
Hoe hangt de kleur van een complex samen met Δo?
Het complex absorbeert licht met energie Δo, dus λ (nm) ≈ 10⁷ / Δo (cm⁻¹). [Ti(H₂O)₆]³⁺ heeft Δo = 20 300 cm⁻¹, absorbeert bij ongeveer 493 nm en ziet er paars uit, de complementaire kleur.
Verwante scheikundetools
Laatst bijgewerkt: