MolDraw › เครื่องมือเคมี › แผนภาพการแยกระดับพลังงานในสนามผลึก

แผนภาพการแยกระดับพลังงานในสนามผลึก (CFSE และสถานะสปิน)

สรุปสั้น ๆ: เครื่องมือแผนภาพการแยกระดับพลังงานในสนามผลึกสำหรับสารเชิงซ้อนทรงแปดหน้า ทรงสี่หน้า สี่เหลี่ยมแบนราบ พีระมิดคู่ฐานสามเหลี่ยม และพีระมิดฐานสี่เหลี่ยม หาจำนวน d-อิเล็กตรอน บรรจุ t2g และ eg (หรือ e และ t2) สำหรับสปินสูงหรือต่ำ และให้ค่า CFSE พร้อมพลังงานการจับคู่ อิเล็กตรอนไม่มีคู่ โมเมนต์แม่เหล็กแบบ spin-only คำบอกใบ้ Jahn–Teller และหมายเหตุเรื่องสี ใช้งานฟรี ทำงานในเว็บเบราว์เซอร์ และไม่ต้องดาวน์โหลด

เลือกไอออนโลหะ รูปทรง และลิแกนด์ แผนภาพจะแสดงระดับ d ของไอออนอิสระ ออร์บิทัล d ที่แยกระดับพร้อมป้ายกำกับ และอิเล็กตรอนเป็นลูกศร ผลลัพธ์อธิบายสถานะสปินตามกฎ Δ เทียบกับพลังงานการจับคู่

คำตอบโดยย่อ: [Fe(CN)₆]⁴⁻: Fe²⁺ เป็น d⁶ และ CN⁻ เป็นลิแกนด์สนามแรง จึงเป็นสปินต่ำ t2g⁶ eg⁰ CFSE = 6 × (−0.4Δo) + 2P = −2.4Δo + 2P และมีอิเล็กตรอนไม่มีคู่ 0 ตัว (ไดอาแมกเนติก) ส่วน [CoF₆]³⁻ เป็นสปินสูง มีอิเล็กตรอนไม่มีคู่ 4 ตัว และ μ = √24 = 4.90 BM

ตัวอย่าง

ระดับล่างเป็นสีเขียวอมฟ้าและระดับบนเป็นสีแดง พลังงานวาดตามสเกลโดยประมาณรอบจุดศูนย์ถ่วงพลังงาน (barycentre: พลังงานเฉลี่ยของออร์บิทัล d ทั้งห้า) ระดับที่ใกล้กันมากจะถูกเว้นระยะเพื่อให้อ่านได้ ค่า Δ เป็นค่าที่วัดได้หากทราบ มิฉะนั้นเป็นค่าประมาณคร่าว ๆ

วิธีใช้แผนภาพสนามผลึก

  1. เลือกโลหะและเลขออกซิเดชัน เครื่องมือจะหาจำนวน d-อิเล็กตรอน: dⁿ = เลขหมู่ − เลขออกซิเดชัน (Fe²⁺: 8 − 2 = d⁶)
  2. เลือกรูปทรงและลิแกนด์ สำหรับสารเชิงซ้อนผสม เช่น [Co(NH₃)₅Cl]²⁺ ให้เพิ่มลิแกนด์ที่สอง และตั้งค่าจำนวนลิแกนด์นี้
  3. ตั้งสถานะสปินเป็นอัตโนมัติเพื่อใช้กฎ Δ เทียบกับพลังงานการจับคู่ หรือกำหนดสปินสูงหรือต่ำเอง
  4. อ่านการจัดเรียงอิเล็กตรอน CFSE อิเล็กตรอนไม่มีคู่ โมเมนต์แม่เหล็ก คำบอกใบ้ Jahn–Teller และหมายเหตุเรื่องสี บันทึกแผนภาพด้วยดาวน์โหลด SVGหรือดาวน์โหลด PNG

ทฤษฎีสนามผลึกโดยสังเขป

ในไอออนโลหะอิสระ ออร์บิทัล d ทั้งห้ามีพลังงานเท่ากัน ลิแกนด์ที่เข้าใกล้โลหะจะผลักอิเล็กตรอนใน d ออร์บิทัลที่ชี้ไปยังลิแกนด์มีพลังงานสูงขึ้น ส่วนออร์บิทัลอื่นมีพลังงานต่ำลง โดยพลังงานเฉลี่ย (barycentre) คงเดิม ช่องว่างพลังงานนี้คือการแยกระดับพลังงานในสนามผลึก Δ

รูปแบบการแยกระดับ

รูปทรงชุดล่างชุดบนพลังงาน
ทรงแปดหน้าt2g (dxy, dxz, dyz)eg (dz², dx²−y²)t2g −0.4Δo, eg +0.6Δo (Δo = 10 Dq)
ทรงสี่หน้าe (dz², dx²−y²)t2 (dxy, dxz, dyz)e −0.6Δt, t2 +0.4Δt, Δt ≈ 4/9 Δo
สี่เหลี่ยมแบนราบdxz, dyz < dz² < dxydx²−y² (สูงสุด)−5.14, −4.28, +2.28, +12.28 Dq
พีระมิดคู่ฐานสามเหลี่ยมe″ (dxz, dyz) < e′ (dxy, dx²−y²)a1′ (dz²)−2.72, −0.82, +7.07 Dq
พีระมิดฐานสี่เหลี่ยมe (dxz, dyz) < b2 (dxy) < a1 (dz²)b1 (dx²−y²)−4.57, −0.86, +0.86, +9.14 Dq

อนุกรมสเปกโทรเคมี

I⁻ < Br⁻ < SCN⁻ < Cl⁻ < F⁻ < OH⁻ < C₂O₄²⁻ < H₂O < NCS⁻ < py < NH₃ < en < bipy < phen < NO₂⁻ < PPh₃ < CN⁻ < CO ลิแกนด์ทางซ้ายเป็นสนามอ่อน (Δ เล็ก) ลิแกนด์ทางขวาเป็นสนามแรง (Δ ใหญ่) Δ ยังเพิ่มขึ้นตามประจุของโลหะ (M³⁺ > M²⁺) และเมื่อลงไปตามหมู่ (5d > 4d > 3d)

สปินสูงหรือสปินต่ำ

สำหรับ d⁴ ถึง d⁷ ทรงแปดหน้า ให้เปรียบเทียบ Δo กับพลังงานการจับคู่ P ถ้า Δo < P อิเล็กตรอนจะกระจายตัวก่อน: สปินสูง ถ้า Δo > P อิเล็กตรอนจะจับคู่ใน t2g: สปินต่ำ สารเชิงซ้อนทรงสี่หน้าเป็นสปินสูงเสมอเพราะ Δt มีค่าน้อย โลหะ 4d และ 5d และสารเชิงซ้อน d⁸ แบบสี่เหลี่ยมแบนราบเป็นสปินต่ำ

CFSE (ทรงแปดหน้า) = (−0.4 × n(t2g) + 0.6 × n(eg)) Δo + m P μ(spin-only) = √(n(n + 2)) BM

โดย m คือจำนวนคู่อิเล็กตรอนที่เกิดขึ้นเพิ่มจากที่มีอยู่แล้วในไอออนอิสระ และ n คือจำนวนอิเล็กตรอนไม่มีคู่ สำหรับสารเชิงซ้อนทรงสี่หน้า CFSE = (−0.6 × n(e) + 0.4 × n(t2)) Δt

CFSE ทรงแปดหน้าสำหรับ d¹ ถึง d¹⁰

dⁿสปินสูงCFSE (สปินสูง)ไม่มีคู่ (HS)สปินต่ำและ CFSEไม่มีคู่ (LS)
d¹t2g¹−0.4Δo1เหมือนสปินสูง1
d²t2g²−0.8Δo2เหมือนสปินสูง2
d³t2g³−1.2Δo3เหมือนสปินสูง3
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 eg²−1.2Δo2เหมือนสปินสูง2
d⁹t2g⁶ eg³−0.6Δo1เหมือนสปินสูง1
d¹⁰t2g⁶ eg⁴00เหมือนสปินสูง0

การบิดเบี้ยวแบบ Jahn–Teller

สารเชิงซ้อนที่ไม่เป็นเส้นตรงซึ่งมีชุดออร์บิทัลดีเจนเนอเรตบรรจุไม่เท่ากันจะบิดเบี้ยวเพื่อลดพลังงาน ผลนี้รุนแรงเมื่อ eg บรรจุไม่เท่ากัน: d⁹ (Cu²⁺), d⁴ สปินสูง (Cr²⁺, Mn³⁺) และ d⁷ สปินต่ำ สารเชิงซ้อน Cu²⁺ ที่มีเลขโคออร์ดิเนชันหกมักยืดออกตามแกนหนึ่ง

ตัวอย่างโจทย์

[Fe(H₂O)₆]²⁺

Fe²⁺ เป็น d⁶ น้ำเป็นลิแกนด์สนามอ่อน: Δo ≈ 10 400 cm⁻¹ < P ≈ 17 600 cm⁻¹ จึงเป็นสปินสูง t2g⁴ eg²

CFSE = 4(−0.4) + 2(0.6) = −0.4Δo

ไม่มีคู่ 4 ตัว, μ = √24 = 4.90 BM

[Fe(CN)₆]⁴⁻

d⁶ กับ CN⁻ สนามแรง: สปินต่ำ t2g⁶ eg⁰ มีสามคู่ เทียบกับหนึ่งคู่ในไอออนอิสระ จึงมีคู่เพิ่ม 2 คู่

CFSE = 6(−0.4)Δo + 2P

−2.4Δo + 2P, ไม่มีคู่ 0 ตัว, ไดอาแมกเนติก

[CoF₆]³⁻ เทียบกับ [Co(NH₃)₆]³⁺

ทั้งคู่เป็น Co³⁺ d⁶ F⁻ ให้ Δo ≈ 13 000 cm⁻¹ (ต่ำกว่า P): สปินสูง NH₃ ให้ Δo ≈ 22 900 cm⁻¹: สปินต่ำ

[CoF₆]³⁻: ไม่มีคู่ 4 ตัว, 4.90 BM [Co(NH₃)₆]³⁺: ไม่มีคู่ 0 ตัว

[Ni(CN)₄]²⁻ เทียบกับ [NiCl₄]²⁻

ทั้งคู่เป็น Ni²⁺ d⁸ CN⁻ ให้สี่เหลี่ยมแบนราบ dx²−y² ว่าง Cl⁻ ให้ทรงสี่หน้า e⁴ t2⁴

[Ni(CN)₄]²⁻ ไดอาแมกเนติก; [NiCl₄]²⁻ ไม่มีคู่ 2 ตัว, 2.83 BM, CFSE −0.8Δt

[Cu(H₂O)₆]²⁺

d⁹: t2g⁶ eg³ ชุด eg บรรจุไม่เท่ากัน

CFSE = 6(−0.4) + 3(0.6) = −0.6Δo

ไม่มีคู่ 1 ตัว, 1.73 BM, ยืดออกแบบ Jahn–Teller อย่างชัดเจน

สีของ [Ti(H₂O)₆]³⁺

d¹ ที่มี Δo = 20 300 cm⁻¹ λ = 10⁷ / 20 300 = 493 nm จึงดูดกลืนแสงสีเขียวอมเหลือง

CFSE = −0.4Δo = −0.4 × 243 kJ/mol = −97 kJ/mol

สารละลายมีสีม่วง

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อย

กำลังวาดสารประกอบเชิงซ้อนอยู่หรือเปล่า? วาดลิแกนด์ สารเชิงซ้อนของโลหะ และแผนผังปฏิกิริยาใน MolDraw ตัวแก้ไขโครงสร้างเคมีออนไลน์ฟรี

เปิดตัวแก้ไข MolDraw

คำถามที่พบบ่อย

CFSE ของ [Fe(CN)₆]⁴⁻ เท่ากับเท่าไร?

Fe²⁺ เป็น d⁶ และ CN⁻ เป็นลิแกนด์สนามแรง สารเชิงซ้อนจึงเป็นสปินต่ำ t2g⁶ eg⁰ CFSE = 6 × (−0.4Δo) + 2P = −2.4Δo + 2P และมีอิเล็กตรอนไม่มีคู่ 0 ตัว

จะรู้ได้อย่างไรว่าสารเชิงซ้อนเป็นสปินสูงหรือสปินต่ำ?

เปรียบเทียบ Δo กับพลังงานการจับคู่ P ลิแกนด์สนามอ่อน เช่น H₂O, F⁻ และ Cl⁻ มักให้สปินสูง ลิแกนด์สนามแรง เช่น CN⁻ และ CO ให้สปินต่ำ สารเชิงซ้อนทรงสี่หน้าเป็นสปินสูงเสมอ และโลหะ 4d และ 5d เป็นสปินต่ำ

ทำไม [CoF₆]³⁻ เป็นสปินสูง แต่ [Co(NH₃)₆]³⁺ เป็นสปินต่ำ?

ทั้งคู่มี Co³⁺ (d⁶) F⁻ เป็นลิแกนด์สนามอ่อน Δo (ประมาณ 13 000 cm⁻¹) จึงต่ำกว่าพลังงานการจับคู่: มีอิเล็กตรอนไม่มีคู่ 4 ตัว และ μ = 4.90 BM ส่วน NH₃ ให้ Δo ประมาณ 22 900 cm⁻¹ อิเล็กตรอนทั้งหกตัวจึงจับคู่ใน t2g

จะคำนวณโมเมนต์แม่เหล็กแบบ spin-only ได้อย่างไร?

ใช้ μ = √(n(n + 2)) BM โดย n คือจำนวนอิเล็กตรอนไม่มีคู่ n = 1 ได้ 1.73 BM, 2 ได้ 2.83, 3 ได้ 3.87, 4 ได้ 4.90 และ 5 ได้ 5.92 BM

ทำไม [Ni(CN)₄]²⁻ เป็นสี่เหลี่ยมแบนราบและไดอาแมกเนติก?

Ni²⁺ เป็น d⁸ เมื่อมี CN⁻ ซึ่งเป็นลิแกนด์สนามแรง การจัดตัวแบบสี่เหลี่ยมแบนราบทำให้ออร์บิทัล dx²−y² ที่มีพลังงานสูงมากว่างอยู่ อิเล็กตรอนทั้งแปดตัวจึงจับคู่ในออร์บิทัลล่างสี่ออร์บิทัล ส่วน [NiCl₄]²⁻ เป็นทรงสี่หน้าและมีอิเล็กตรอนไม่มีคู่ 2 ตัว

สารเชิงซ้อนใดแสดงการบิดเบี้ยวแบบ Jahn–Teller?

การบิดเบี้ยวแบบ Jahn–Teller อย่างรุนแรงเกิดเมื่อชุด eg ในสารเชิงซ้อนทรงแปดหน้ามีอิเล็กตรอนไม่เท่ากัน: d⁹ (Cu²⁺), d⁴ สปินสูง (Cr²⁺, Mn³⁺) และ d⁷ สปินต่ำ (Co²⁺ กับลิแกนด์สนามแรง)

สีของสารเชิงซ้อนสัมพันธ์กับ Δo อย่างไร?

สารเชิงซ้อนดูดกลืนแสงที่มีพลังงาน Δo ดังนั้น λ (nm) ≈ 10⁷ / Δo (cm⁻¹) [Ti(H₂O)₆]³⁺ มี Δo = 20 300 cm⁻¹ ดูดกลืนแสงใกล้ 493 nm และปรากฏเป็นสีม่วง ซึ่งเป็นสีคู่ตรงข้าม

เครื่องมือเคมีที่เกี่ยวข้อง

อัปเดตล่าสุด: