MolDraw › Công cụ hóa học › Giản đồ tách mức trường tinh thể
Giản đồ tách mức trường tinh thể (CFSE và trạng thái spin)
Tóm tắt: Công cụ giản đồ tách mức trường tinh thể cho phức bát diện, tứ diện, vuông phẳng, lưỡng chóp tam giác và chóp vuông. Công cụ xác định số electron d, điền t2g và eg (hoặc e và t2) theo spin cao hay thấp, và cho CFSE kèm năng lượng ghép cặp, số electron độc thân, momen từ chỉ-spin, gợi ý Jahn–Teller và ghi chú về màu. Miễn phí, chạy trên trình duyệt web và không cần tải xuống.
Chọn ion kim loại, hình học và phối tử. Giản đồ hiển thị mức d của ion tự do, các orbital d đã tách kèm nhãn và electron dưới dạng mũi tên. Kết quả giải thích trạng thái spin theo quy tắc so sánh Δ với năng lượng ghép cặp.
Ví dụ
Mức thấp màu xanh mòng két, mức cao màu đỏ. Năng lượng được vẽ gần đúng theo tỉ lệ quanh trọng tâm (năng lượng trung bình của năm orbital d); các mức quá gần nhau được giãn ra để dễ đọc. Giá trị Δ là giá trị đo được nếu có, nếu không là ước lượng gần đúng.
Cách dùng giản đồ trường tinh thể
- Chọn Kim loại và Số oxi hóa. Công cụ tính số electron d: dⁿ = số nhóm − số oxi hóa (Fe²⁺: 8 − 2 = d⁶).
- Chọn Hình học và Phối tử. Với phức hỗn hợp như [Co(NH₃)₅Cl]²⁺, thêm Phối tử thứ hai và đặt Số lượng.
- Để Trạng thái spin ở Tự động để áp dụng quy tắc Δ so với năng lượng ghép cặp, hoặc tự đặt spin cao hay thấp.
- Đọc cấu hình, CFSE, số electron độc thân, momen từ, gợi ý Jahn–Teller và ghi chú về màu. Lưu giản đồ bằng Tải SVG hoặc Tải PNG.
Tóm tắt thuyết trường tinh thể
Trong ion kim loại tự do, năm orbital d có cùng năng lượng. Phối tử tiến gần kim loại sẽ đẩy các electron d. Orbital hướng về phía phối tử tăng năng lượng, các orbital còn lại giảm, trong khi năng lượng trung bình (trọng tâm) không đổi. Khoảng cách năng lượng là năng lượng tách trường tinh thể, Δ.
Các kiểu tách mức
| Hình học | Bộ thấp | Bộ cao | Năng lượng |
|---|---|---|---|
| Bát diện | t2g (dxy, dxz, dyz) | eg (dz², dx²−y²) | t2g −0.4Δo, eg +0.6Δo (Δo = 10 Dq) |
| Tứ diện | e (dz², dx²−y²) | t2 (dxy, dxz, dyz) | e −0.6Δt, t2 +0.4Δt, Δt ≈ 4/9 Δo |
| Vuông phẳng | dxz, dyz < dz² < dxy | dx²−y² (cao nhất) | −5.14, −4.28, +2.28, +12.28 Dq |
| Lưỡng chóp tam giác | e″ (dxz, dyz) < e′ (dxy, dx²−y²) | a1′ (dz²) | −2.72, −0.82, +7.07 Dq |
| Chóp vuông | e (dxz, dyz) < b2 (dxy) < a1 (dz²) | b1 (dx²−y²) | −4.57, −0.86, +0.86, +9.14 Dq |
Dãy hóa quang phổ
I⁻ < Br⁻ < SCN⁻ < Cl⁻ < F⁻ < OH⁻ < C₂O₄²⁻ < H₂O < NCS⁻ < py < NH₃ < en < bipy < phen < NO₂⁻ < PPh₃ < CN⁻ < CO. Phối tử bên trái là trường yếu (Δ nhỏ); phối tử bên phải là trường mạnh (Δ lớn). Δ cũng tăng theo điện tích kim loại (M³⁺ > M²⁺) và khi đi xuống trong nhóm (5d > 4d > 3d).
Spin cao hay spin thấp
Với phức bát diện d⁴ đến d⁷, so sánh Δo với năng lượng ghép cặp P. Nếu Δo < P, electron phân bố ra trước: spin cao. Nếu Δo > P, chúng ghép cặp trong t2g: spin thấp. Phức tứ diện luôn có spin cao vì Δt nhỏ. Kim loại 4d, 5d và phức vuông phẳng d⁸ có spin thấp.
CFSE (bát diện) = (−0.4 × n(t2g) + 0.6 × n(eg)) Δo + m P μ(chỉ-spin) = √(n(n + 2)) BM
Ở đây m là số cặp electron hình thành thêm so với các cặp đã có trong ion tự do, và n là số electron độc thân. Với phức tứ diện, CFSE = (−0.6 × n(e) + 0.4 × n(t2)) Δt.
CFSE bát diện cho d¹ đến d¹⁰
| dⁿ | Spin cao | CFSE (spin cao) | Độc thân (HS) | Spin thấp và CFSE | Độc thân (LS) |
|---|---|---|---|---|---|
| d¹ | t2g¹ | −0.4Δo | 1 | giống spin cao | 1 |
| d² | t2g² | −0.8Δo | 2 | giống spin cao | 2 |
| d³ | t2g³ | −1.2Δo | 3 | giống spin cao | 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 | giống spin cao | 2 |
| d⁹ | t2g⁶ eg³ | −0.6Δo | 1 | giống spin cao | 1 |
| d¹⁰ | t2g⁶ eg⁴ | 0 | 0 | giống spin cao | 0 |
Biến dạng Jahn–Teller
Phức không thẳng có bộ suy biến được điền không đều sẽ biến dạng để giảm năng lượng. Hiệu ứng mạnh khi eg được điền không đều: d⁹ (Cu²⁺), d⁴ spin cao (Cr²⁺, Mn³⁺) và d⁷ spin thấp. Phức Cu²⁺ số phối trí sáu thường bị kéo dài theo một trục.
Ví dụ có lời giải
[Fe(H₂O)₆]²⁺
Fe²⁺ là d⁶. Nước là phối tử trường yếu: Δo ≈ 10 400 cm⁻¹ < P ≈ 17 600 cm⁻¹, nên có spin cao t2g⁴ eg².
CFSE = 4(−0.4) + 2(0.6) = −0.4Δo.
4 độc thân, μ = √24 = 4,90 BM
[Fe(CN)₆]⁴⁻
d⁶ với CN⁻ trường mạnh: spin thấp t2g⁶ eg⁰. Ba cặp so với một cặp trong ion tự do, nên thêm 2 cặp.
CFSE = 6(−0.4)Δo + 2P.
−2.4Δo + 2P, 0 độc thân, nghịch từ
[CoF₆]³⁻ so với [Co(NH₃)₆]³⁺
Cả hai đều là Co³⁺ d⁶. F⁻ cho Δo ≈ 13 000 cm⁻¹ (nhỏ hơn P): spin cao. NH₃ cho Δo ≈ 22 900 cm⁻¹: spin thấp.
[CoF₆]³⁻: 4 độc thân, 4,90 BM. [Co(NH₃)₆]³⁺: 0 độc thân
[Ni(CN)₄]²⁻ so với [NiCl₄]²⁻
Cả hai đều là Ni²⁺ d⁸. CN⁻ cho vuông phẳng, dx²−y² trống. Cl⁻ cho tứ diện e⁴ t2⁴.
[Ni(CN)₄]²⁻ nghịch từ; [NiCl₄]²⁻ 2 độc thân, 2,83 BM, CFSE −0.8Δt
[Cu(H₂O)₆]²⁺
d⁹: t2g⁶ eg³. Bộ eg được điền không đều.
CFSE = 6(−0.4) + 3(0.6) = −0.6Δo.
1 độc thân, 1,73 BM, kéo dài Jahn–Teller mạnh
Màu của [Ti(H₂O)₆]³⁺
d¹ với Δo = 20 300 cm⁻¹. λ = 10⁷ / 20 300 = 493 nm, nên ánh sáng lục-vàng bị hấp thụ.
CFSE = −0.4Δo = −0.4 × 243 kJ/mol = −97 kJ/mol.
Dung dịch có màu tím
Lỗi thường gặp
- Sai số electron d. Bỏ electron 4s trước: Fe là [Ar]3d⁶4s², Fe²⁺ là 3d⁶ và Fe³⁺ là 3d⁵.
- Cho phức tứ diện spin thấp. Δt ≈ 4/9 Δo hầu như luôn nhỏ hơn năng lượng ghép cặp, nên phức tứ diện có spin cao.
- Quên số hạng năng lượng ghép cặp. CFSE của d⁶ spin thấp là −2.4Δo + 2P, không chỉ −2.4Δo. Chỉ đếm các cặp tăng thêm so với ion tự do.
- Nhầm Δt với Δo. −0.8Δt của [NiCl₄]²⁻ xấp xỉ −0.36Δo, không phải −0.8Δo.
- Đảo nhãn tứ diện. Trong trường tứ diện, bộ e (dz², dx²−y²) thấp hơn và t2 cao hơn, ngược với bát diện.
- Nghĩ rằng d⁰ hoặc d¹⁰ có màu. Zn²⁺ không màu. Màu tím của MnO₄⁻ (d⁰) do chuyển điện tích, không phải chuyển dời d–d.
Cần vẽ phức chất? Vẽ phối tử, phức kim loại và sơ đồ phản ứng trong MolDraw, trình soạn thảo cấu trúc hóa học online miễn phí.
Mở trình soạn thảo MolDrawCâu hỏi thường gặp
CFSE của [Fe(CN)₆]⁴⁻ là bao nhiêu?
Fe²⁺ là d⁶ và CN⁻ là phối tử trường mạnh, nên phức có spin thấp t2g⁶ eg⁰. CFSE = 6 × (−0.4Δo) + 2P = −2.4Δo + 2P, với 0 electron độc thân.
Làm sao biết phức có spin cao hay spin thấp?
So sánh Δo với năng lượng ghép cặp P. Phối tử trường yếu như H₂O, F⁻ và Cl⁻ thường cho spin cao; phối tử trường mạnh như CN⁻ và CO cho spin thấp. Phức tứ diện luôn có spin cao, còn kim loại 4d và 5d có spin thấp.
Vì sao [CoF₆]³⁻ có spin cao còn [Co(NH₃)₆]³⁺ có spin thấp?
Cả hai đều chứa Co³⁺ (d⁶). F⁻ là phối tử trường yếu, nên Δo (khoảng 13 000 cm⁻¹) nhỏ hơn năng lượng ghép cặp: 4 electron độc thân và μ = 4,90 BM. NH₃ cho Δo khoảng 22 900 cm⁻¹, nên cả sáu electron ghép cặp trong t2g.
Làm sao tính momen từ chỉ-spin?
Dùng μ = √(n(n + 2)) BM, trong đó n là số electron độc thân. n = 1 cho 1,73 BM, 2 cho 2,83, 3 cho 3,87, 4 cho 4,90 và 5 cho 5,92 BM.
Vì sao [Ni(CN)₄]²⁻ vuông phẳng và nghịch từ?
Ni²⁺ là d⁸. Với CN⁻ trường mạnh, cấu trúc vuông phẳng để trống orbital dx²−y² rất cao, nên cả tám electron ghép cặp trong bốn orbital thấp hơn. [NiCl₄]²⁻ là tứ diện với 2 electron độc thân.
Những phức nào có biến dạng Jahn–Teller?
Biến dạng Jahn–Teller mạnh xảy ra khi bộ eg được điền không đều trong phức bát diện: d⁹ (Cu²⁺), d⁴ spin cao (Cr²⁺, Mn³⁺) và d⁷ spin thấp (Co²⁺ với phối tử mạnh).
Màu của phức liên quan đến Δo thế nào?
Phức hấp thụ ánh sáng có năng lượng Δo, nên λ (nm) ≈ 10⁷ / Δo (cm⁻¹). [Ti(H₂O)₆]³⁺ có Δo = 20 300 cm⁻¹, hấp thụ gần 493 nm và có màu tím, là màu bù.
Công cụ hóa học liên quan
Cập nhật lần cuối: