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
ตัวอย่าง
ระดับล่างเป็นสีเขียวอมฟ้าและระดับบนเป็นสีแดง พลังงานวาดตามสเกลโดยประมาณรอบจุดศูนย์ถ่วงพลังงาน (barycentre: พลังงานเฉลี่ยของออร์บิทัล d ทั้งห้า) ระดับที่ใกล้กันมากจะถูกเว้นระยะเพื่อให้อ่านได้ ค่า Δ เป็นค่าที่วัดได้หากทราบ มิฉะนั้นเป็นค่าประมาณคร่าว ๆ
วิธีใช้แผนภาพสนามผลึก
- เลือกโลหะและเลขออกซิเดชัน เครื่องมือจะหาจำนวน d-อิเล็กตรอน: dⁿ = เลขหมู่ − เลขออกซิเดชัน (Fe²⁺: 8 − 2 = d⁶)
- เลือกรูปทรงและลิแกนด์ สำหรับสารเชิงซ้อนผสม เช่น [Co(NH₃)₅Cl]²⁺ ให้เพิ่มลิแกนด์ที่สอง และตั้งค่าจำนวนลิแกนด์นี้
- ตั้งสถานะสปินเป็นอัตโนมัติเพื่อใช้กฎ Δ เทียบกับพลังงานการจับคู่ หรือกำหนดสปินสูงหรือต่ำเอง
- 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
| รูปทรง | ชุดล่าง | ชุดบน | พลังงาน |
|---|---|---|---|
| ทรงแปดหน้า | t2g (dxy, dxz, dyz) | eg (dz², dx²−y²) | t2g −0.4Δo, eg +0.6Δo (Δo = 10 Dq) |
| ทรงสี่หน้า | e (dz², dx²−y²) | t2 (dxy, dxz, dyz) | e −0.6Δt, t2 +0.4Δt, Δt ≈ 4/9 Δo |
| สี่เหลี่ยมแบนราบ | dxz, dyz < dz² < dxy | dx²−y² (สูงสุด) | −5.14, −4.28, +2.28, +12.28 Dq |
| พีระมิดคู่ฐานสามเหลี่ยม | e″ (dxz, dyz) < e′ (dxy, dx²−y²) | a1′ (dz²) | −2.72, −0.82, +7.07 Dq |
| พีระมิดฐานสี่เหลี่ยม | e (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
| dⁿ | สปินสูง | CFSE (สปินสูง) | ไม่มีคู่ (HS) | สปินต่ำและ CFSE | ไม่มีคู่ (LS) |
|---|---|---|---|---|---|
| d¹ | t2g¹ | −0.4Δo | 1 | เหมือนสปินสูง | 1 |
| d² | t2g² | −0.8Δo | 2 | เหมือนสปินสูง | 2 |
| d³ | t2g³ | −1.2Δo | 3 | เหมือนสปินสูง | 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 | เหมือนสปินสูง | 2 |
| d⁹ | t2g⁶ eg³ | −0.6Δo | 1 | เหมือนสปินสูง | 1 |
| d¹⁰ | t2g⁶ eg⁴ | 0 | 0 | เหมือนสปินสูง | 0 |
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
- นับจำนวน d ผิด ให้เอาอิเล็กตรอน 4s ออกก่อน: Fe คือ [Ar]3d⁶4s², Fe²⁺ คือ 3d⁶ และ Fe³⁺ คือ 3d⁵
- กำหนดให้สารเชิงซ้อนทรงสี่หน้าเป็นสปินต่ำ Δt ≈ 4/9 Δo เกือบทุกครั้งต่ำกว่าพลังงานการจับคู่ สารเชิงซ้อนทรงสี่หน้าจึงเป็นสปินสูง
- ลืมพจน์พลังงานการจับคู่ CFSE ของ d⁶ สปินต่ำคือ −2.4Δo + 2P ไม่ใช่แค่ −2.4Δo นับเฉพาะคู่ที่เพิ่มขึ้นเมื่อเทียบกับไอออนอิสระ
- สับสน Δt กับ Δo −0.8Δt ของ [NiCl₄]²⁻ เท่ากับประมาณ −0.36Δo ไม่ใช่ −0.8Δo
- สลับป้ายกำกับของทรงสี่หน้า ในสนามทรงสี่หน้า ชุด e (dz², dx²−y²) อยู่ต่ำกว่าและ t2 อยู่สูงกว่า ตรงข้ามกับทรงแปดหน้า
- คาดว่า d⁰ หรือ d¹⁰ จะมีสี Zn²⁺ ไม่มีสี สีม่วงของ MnO₄⁻ (d⁰) มาจากการถ่ายโอนประจุ ไม่ใช่การเปลี่ยนระดับ d–d
กำลังวาดสารประกอบเชิงซ้อนอยู่หรือเปล่า? วาดลิแกนด์ สารเชิงซ้อนของโลหะ และแผนผังปฏิกิริยาใน MolDraw ตัวแก้ไขโครงสร้างเคมีออนไลน์ฟรี
เปิดตัวแก้ไข MolDrawคำถามที่พบบ่อย
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: