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.

Snel antwoord: [Fe(CN)₆]⁴⁻: Fe²⁺ is d⁶ en CN⁻ is een sterkveldligand, dus het is low spin t2g⁶ eg⁰. CFSE = 6 × (−0.4Δo) + 2P = −2.4Δo + 2P, met 0 ongepaarde elektronen (diamagnetisch). [CoF₆]³⁻ is high spin met 4 ongepaarde elektronen en μ = √24 = 4,90 BM.

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

  1. Kies het Metaal en de Oxidatietoestand. De tool berekent het aantal d-elektronen: dⁿ = groepsnummer − oxidatietoestand (Fe²⁺: 8 − 2 = d⁶).
  2. Kies de Geometrie en het Ligand. Voeg bij gemengde complexen zoals [Co(NH₃)₅Cl]²⁺ een Tweede ligand toe en stel Hoeveel daarvan in.
  3. Laat Spintoestand op Automatisch staan om de regel Δ tegenover paringsenergie toe te passen, of stel zelf high of low spin in.
  4. 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

GeometrieLagere setHogere setEnergieën
Octaëdrischt2g (dxy, dxz, dyz)eg (dz², dx²−y²)t2g −0.4Δo, eg +0.6Δo (Δo = 10 Dq)
Tetraëdrische (dz², dx²−y²)t2 (dxy, dxz, dyz)e −0.6Δt, t2 +0.4Δt, Δt ≈ 4/9 Δo
Vlak-vierkantdxz, dyz < dz² < dxydx²−y² (hoogste)−5.14, −4.28, +2.28, +12.28 Dq
Trigonaal bipiramidaale″ (dxz, dyz) < e′ (dxy, dx²−y²)a1′ (dz²)−2.72, −0.82, +7.07 Dq
Vierkant piramidaale (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

dⁿHigh spinCFSE (high spin)Ongepaard (HS)Low spin en CFSEOngepaard (LS)
d¹t2g¹−0.4Δo1gelijk aan high spin1
d²t2g²−0.8Δo2gelijk aan high spin2
d³t2g³−1.2Δo3gelijk aan high spin3
d⁴t2g³ eg¹−0.6Δo4t2g⁴ eg⁰: −1.6Δo + P2
d⁵t2g³ eg²05t2g⁵ eg⁰: −2.0Δo + 2P1
d⁶t2g⁴ eg²−0.4Δo4t2g⁶ eg⁰: −2.4Δo + 2P0
d⁷t2g⁵ eg²−0.8Δo3t2g⁶ eg¹: −1.8Δo + P1
d⁸t2g⁶ eg²−1.2Δo2gelijk aan high spin2
d⁹t2g⁶ eg³−0.6Δo1gelijk aan high spin1
d¹⁰t2g⁶ eg⁴00gelijk aan high spin0

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

Coördinatieverbindingen tekenen? Teken liganden, metaalcomplexen en reactieschema's in MolDraw, een gratis online editor voor chemische structuren.

MolDraw-editor openen

Veelgestelde 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: