Теория кристаллического поля: расщепление d-орбиталей, ЭСКП, высокий и низкий спин

Опубликовано: 19 октября 2026 г. · Автор: Scidart Academy · Время чтения: ~7 мин
Диаграмма октаэдрического расщепления в кристаллическом поле для низкоспинового железа(II) в гексацианоферрате: шесть спаренных электронов на t2g и пустой уровень eg над ним
[Fe(CN)₆]⁴⁻ — низкоспиновый d⁶: шесть спаренных электронов на t2g, ЭСКП −2,4Δo + 2P.

Коротко: в октаэдрическом комплексе пять d-орбиталей расщепляются на t2g (−0,4Δo) и eg (+0,6Δo). Если Δo больше энергии спаривания P, электроны спариваются на t2g (низкий спин); если меньше — распределяются по всем орбиталям (высокий спин). ЭСКП = (−0,4 n(t2g) + 0,6 n(eg)) Δo + mP, а μ = √(n(n + 2)) BM. Пример: [Fe(CN)₆]⁴⁻ — низкоспиновый d⁶ с ЭСКП −2,4Δo + 2P и без неспаренных электронов. Бесплатная диаграмма расщепления в кристаллическом поле делает это для любого распространённого металла, геометрии и лиганда.

Основные термины в одном месте

Расщепление в кристаллическом поле (Δ)Энергетический зазор между наборами d-орбиталей, вызванный лигандами. Δo — для октаэдра, Δt — для тетраэдра. 1 Δo = 10 Dq.
t2g и egОктаэдрические наборы: t2g (dxy, dxz, dyz) при −0,4Δo и eg (dz², dx²−y²) при +0,6Δo.
Энергия спаривания (P)Энергетические затраты на размещение двух электронов на одной орбитали.
Высокий и низкий спинВысокий спин: Δ < P, максимум неспаренных электронов. Низкий спин: Δ > P, электроны спариваются на нижнем наборе.
ЭСКПЭнергия стабилизации кристаллическим полем: выигрыш энергии d-электронов по сравнению со сферическим полем.
Чисто спиновый моментμ = √(n(n + 2)) BM, где n — число неспаренных электронов.

Правила по шагам

  1. Найдите dⁿ. dⁿ = номер группы − степень окисления. Fe²⁺: 8 − 2 = d⁶. Cu²⁺: 11 − 2 = d⁹. Mn в MnO₄⁻ (+7): d⁰.
  2. Выберите схему расщепления. Октаэдр: t2g ниже eg. Тетраэдр: e ниже t2, Δt ≈ 4/9 Δo. Плоский квадрат: dx²−y² намного выше остальных.
  3. Определите спиновое состояние. Выбор есть только у октаэдрических d⁴, d⁵, d⁶ и d⁷. Лиганды сильного поля (CN⁻, CO, NO₂⁻, en, bipy) и ионы 3+ благоприятствуют низкому спину. Лиганды слабого поля (I⁻, Br⁻, Cl⁻, F⁻, H₂O) — высокому. Тетраэдрические комплексы всегда высокоспиновые. Металлы 4d и 5d — низкоспиновые.
  4. Заполните орбитали. Высокий спин: сначала по одному электрону на каждую из пяти орбиталей. Низкий спин: сначала полностью заполните нижний набор.
  5. Рассчитайте. ЭСКП = (−0,4 n(t2g) + 0,6 n(eg)) Δo + mP, где m — число дополнительных пар по сравнению со свободным ионом. Затем посчитайте неспаренные электроны и используйте μ = √(n(n + 2)).

Спектрохимический ряд (от слабых к сильным): I⁻ < Br⁻ < SCN⁻ < Cl⁻ < F⁻ < OH⁻ < C₂O₄²⁻ < H₂O < NCS⁻ < py < NH₃ < en < bipy < phen < NO₂⁻ < PPh₃ < CN⁻ < CO.

[Fe(H₂O)₆]²⁺ · октаэдр · d⁶ высокий спинFe(II) · ЭСКП −0,4Δo · 4 неспаренных · μ = 4,90 BMсвободный ион (сферическое поле)пунктир = барицентрdxydxzdyzt2g−0,4Δodz²dx²−y²eg+0,6ΔoΔo≈10,4k cm⁻¹Конфигурация: t2g⁴ eg² · парамагнитныйЭнергии относительно барицентра (Δo = 10 Dq)
[Fe(H₂O)₆]²⁺: вода как лиганд слабого поля даёт высокоспиновый d⁶, t2g⁴ eg², 4 неспаренных электрона и μ = 4,90 BM.
[Fe(CN)₆]⁴⁻ · октаэдр · d⁶ низкий спинFe(II) · ЭСКП −2,4Δo + 2P · 0 неспаренных · μ = 0,00 BMсвободный ион (сферическое поле)пунктир = барицентрdxydxzdyzt2g−0,4Δodz²dx²−y²eg+0,6ΔoΔo≈32,8k cm⁻¹Конфигурация: t2g⁶ eg⁰ · диамагнитныйЭнергии относительно барицентра (Δo = 10 Dq)
[Fe(CN)₆]⁴⁻: цианид как лиганд сильного поля даёт низкоспиновый d⁶, t2g⁶ eg⁰, ЭСКП −2,4Δo + 2P и ни одного неспаренного электрона.

Как пользоваться инструментом диаграмм расщепления в кристаллическом поле

  1. Откройте диаграмму расщепления в кристаллическом поле.
  2. Выберите Металл и Степень окисления. В меню рядом с каждой степенью окисления указано число dⁿ.
  3. Выберите Геометрию: октаэдр, тетраэдр, плоский квадрат, тригональная бипирамида или квадратная пирамида.
  4. Выберите Лиганд. Для смешанного комплекса задайте Второй лиганд (необязательно) и Сколько таких лигандов.
  5. Оставьте Спиновое состояние в режиме Автоматически (Δ против энергии спаривания) или выберите Высокий спин или Низкий спин для сравнения.
  6. Или нажмите пример, например [Fe(CN)₆]⁴⁻, [CoF₆]³⁻ или [Ni(CN)₄]²⁻.
  7. Прочитайте конфигурацию, ЭСКП, число неспаренных электронов, μ, примечание об эффекте Яна–Теллера и об окраске. Сохраните результат кнопкой Скачать SVG или Скачать PNG.

Разобранные примеры

1. [Fe(CN)₆]⁴⁻ и [Fe(H₂O)₆]²⁺

Оба содержат Fe²⁺ (d⁶). С водой Δo ≈ 10 400 cm⁻¹ меньше P ≈ 17 600 cm⁻¹, поэтому комплекс высокоспиновый: t2g⁴ eg², ЭСКП = −0,4Δo, 4 неспаренных электрона, μ = 4,90 BM. С цианидом Δo ≈ 32 800 cm⁻¹ больше P, поэтому он низкоспиновый: t2g⁶, ЭСКП = −2,4Δo + 2P, 0 неспаренных, диамагнитный.

2. [CoF₆]³⁻ и [Co(NH₃)₆]³⁺

Co³⁺ — d⁶. Фторид — лиганд слабого поля: высокий спин, 4 неспаренных электрона, μ = √24 = 4,90 BM. Аммиак даёт Δo ≈ 22 900 cm⁻¹: низкий спин, 0 неспаренных. Co³⁺ низкоспиновый почти со всеми лигандами, кроме F⁻.

3. [Ni(CN)₄]²⁻ и [NiCl₄]²⁻

Ni²⁺ — d⁸. Цианид даёт плоский квадратный комплекс: восемь электронов заполняют dxz, dyz, dz² и dxy, а dx²−y² остаётся пустой. Комплекс диамагнитен. Хлорид даёт тетраэдрический комплекс: e⁴ t2⁴, 2 неспаренных электрона, μ = 2,83 BM, ЭСКП = −0,8Δt.

4. [Cu(H₂O)₆]²⁺ и эффект Яна–Теллера

Cu²⁺ — d⁹: t2g⁶ eg³. Набор eg заполнен неравномерно, поэтому октаэдр вытягивается вдоль одной оси (тетрагональное удлинение Яна–Теллера). ЭСКП = 6(−0,4) + 3(0,6) = −0,6Δo, 1 неспаренный электрон, μ = 1,73 BM.

5. Окраска [Ti(H₂O)₆]³⁺

Ti³⁺ — d¹ с одной полосой d–d-перехода при Δo = 20 300 cm⁻¹. λ = 10⁷ / 20 300 ≈ 493 nm. Поглощается жёлто-зелёный свет, поэтому раствор выглядит фиолетовым. ЭСКП = −0,4Δo ≈ −97 kJ/mol.

6. У [MnO₄]⁻ нет d-электронов

Mn находится в степени окисления +7, поэтому ион — d⁰ и ЭСКП = 0. Его насыщенная фиолетовая окраска обусловлена переносом заряда с лиганда на металл, а не d–d-переходами.

Сводная таблица: октаэдрические комплексы

dⁿВысокий спин (неспаренные, ЭСКП)Низкий спин (неспаренные, ЭСКП)Пример
d¹1, −0,4Δoтак же[Ti(H₂O)₆]³⁺
d³3, −1,2Δoтак же[Cr(H₂O)₆]³⁺, 3,87 BM
d⁴4, −0,6Δo2, −1,6Δo + P[Cr(H₂O)₆]²⁺ ВС, [Mn(CN)₆]³⁻ НС
d⁵5, 01, −2,0Δo + 2P[Fe(H₂O)₆]³⁺ ВС, [Fe(CN)₆]³⁻ НС
d⁶4, −0,4Δo0, −2,4Δo + 2P[CoF₆]³⁻ ВС, [Co(NH₃)₆]³⁺ НС
d⁷3, −0,8Δo1, −1,8Δo + P[Co(H₂O)₆]²⁺ ВС
d⁸2, −1,2Δoтак же[Ni(H₂O)₆]²⁺, 2,83 BM
d⁹1, −0,6Δoтак же[Cu(H₂O)₆]²⁺, эффект Яна–Теллера
d¹⁰0, 0так же[Zn(H₂O)₆]²⁺, бесцветный

Частые ошибки

  • Отнимать электроны с 3d раньше, чем с 4s. Ионы переходных металлов сначала теряют 4s-электроны: Fe²⁺ — это 3d⁶, а не 3d⁴4s².
  • Считать тетраэдрические комплексы низкоспиновыми.
  • Пропускать слагаемое энергии спаривания или считать все пары вместо дополнительных.
  • Записывать тетраэдрическую ЭСКП в Δo без пересчёта: −0,8Δt — это около −0,36Δo.
  • Использовать октаэдрические обозначения для тетраэдрических комплексов. В Td нижний набор — e, верхний — t2 (без g, потому что нет центра инверсии).
  • Утверждать, что ионы d⁰ и d¹⁰ окрашены из-за d–d-переходов.

Советы к экзамену

  • JEE и NEET: задачи на магнитный момент сводятся к подсчёту неспаренных электронов. Запомните 1,73, 2,83, 3,87, 4,90 и 5,92 BM для n = 1–5.
  • JEE и NEET: Ni(II) с CN⁻ — плоский квадрат, диамагнитен (dsp² в терминах метода валентных связей). Ni(II) с Cl⁻ — тетраэдр, парамагнитен (sp³).
  • A-level: окраска возникает из-за d–d-переходов. Видимый цвет — дополнительный к поглощённому свету. Смена лиганда меняет Δ, а значит, и окраску.
  • AP Chemistry: идеи теории кристаллического поля могут встретиться в вопросах об окраске и магнетизме; связывайте большее Δ с поглощением при меньшей длине волны.
  • Вуз: учитывайте энергию спаривания в ЭСКП, объясняйте эффект Яна–Теллера для d⁹ и высокоспинового d⁴ и используйте теорию поля лигандов (π-доноры уменьшают Δ, π-акцепторы увеличивают).

Проверьте любой комплекс с помощью диаграммы расщепления в кристаллическом поле и скачайте диаграмму для конспекта.

Вопросы и ответы

Что такое расщепление в кристаллическом поле?

Расщепление в кристаллическом поле — энергетический зазор между группами d-орбиталей, возникающий из-за лигандов вокруг иона металла. В октаэдрическом комплексе t2g (dxy, dxz, dyz) опускаются на 0,4Δo, а eg (dz², dx²−y²) поднимаются на 0,6Δo.

Как рассчитать ЭСКП?

Для октаэдрического комплекса ЭСКП = (−0,4 × число электронов на t2g + 0,6 × число электронов на eg) Δo + mP, где m — число дополнительных электронных пар по сравнению со свободным ионом. Низкоспиновый d⁶ даёт −2,4Δo + 2P.

Что определяет высокий или низкий спин?

Соотношение Δo и энергии спаривания P. Если Δo < P, комплекс высокоспиновый; если Δo > P — низкоспиновый. Лиганды сильного поля, например CN⁻ и CO, заряд 3+ и металлы 4d и 5d благоприятствуют низкому спину.

Почему тетраэдрические комплексы всегда высокоспиновые?

Δt составляет лишь около 4/9 от Δo для того же металла и лиганда: лигандов меньше, и ни один не направлен прямо на d-орбитали. Δt почти всегда меньше энергии спаривания.

Сколько неспаренных электронов у [CoF₆]³⁻?

Четыре. Co³⁺ — d⁶, а F⁻ — лиганд слабого поля, поэтому конфигурация t2g⁴ eg². Чисто спиновый магнитный момент равен √(4 × 6) = 4,90 BM.

Почему у [Cu(H₂O)₆]²⁺ наблюдается искажение Яна–Теллера?

Cu²⁺ — d⁹, t2g⁶ eg³. Три электрона eg не могут равномерно заполнить dz² и dx²−y², поэтому комплекс понижает энергию, вытягиваясь вдоль одной оси.

Почему [Ti(H₂O)₆]³⁺ фиолетовый?

Это d¹ с Δo = 20 300 cm⁻¹, поэтому он поглощает свет около 493 nm (жёлто-зелёный). Прошедший свет выглядит фиолетовым.

Последнее обновление: