Name: metal ligand bonds in coordination complexes
Uploaded: 2020-09-24T15:06:53.000Z
Duration: 2 min 42 s
Channel: JoVE

לקומפלקסי קוארדינציה יש מבנים גאומטריים שונים כגון אוקטהדרלי, טטרהדרלי ומישורי מרובע, על פי אורביטלי המתכת המשתתפים בקשרי הקואורדינציה הקוולנטיים. תאוריית הקשר הערכי מסבירה את זה על בסיס הכלאת המתכת של אורביטלי s, p ו-d. הכלאה מספקת אורביטלים ריקים בעלי אנרגיות שוות ערך שיכולים להיות קוארדינטיבים לאורביטלי הליגנדות המלאים.חשבו על הקומפלקס האוקטהדרלי, hexafluorocobaltate(III)ליון Co⁺³ יש אורביטלי 3d⁶ מלאים חלקית ואורביטלי 4s ריקים, 4p ו4d אורביטלי כדי ליצור את הקומפלקס, ששת אוריבטלי המתכת הריקים, 4s, 4p ושני 4d, מוכלאים בשישה אורביטלי sp³d², שמצביעים לעבר הפינות של אוקטהדרון. האורביטלים המוכלאים מקבלים זוגות של אלקטרונים לא קושרים משש קבוצות הפלואוריד ויוצרים קומפלקס פרמגנטי. ב-hexamminecobalt(III)קבוצות האמינו גורמות לאלקטרוני ה-3d של קובלט להתארגן מחדש, מה שיוצר שני אורביטלי 3d ריקים.אלה משתלבים עם אורביטלי 4s ו-4p כדי ליצור שישה אורביטלי הכלאה d²sp³, הנקשרים קוארדינטיבית לשש קבוצות האמוניה ויוצרים את התקומפלקס הדיאמגנטי. עכשיו חשבו על קומפלקס טטרהדרלי טטרכולורוניקלאט יון Ni² בנוי בתצורת 3d⁸. אורביטלי 4s ו-4p הריקים מוכלאים זה עם זה ויוצרים ארבעה אורביטלי sp³ המצביעים לעבר הפינות של טטרהדר.כאן ארבעה זוגות של אלקטרונים, זוג מכל קבוצה כלורידית, מאכלס את האורביטלים המוכלאים ונוצרת תרכובת פרמגנטית. לבסוף, בואו נבחן תרכובת מרובעת-מישורית כמו טטרכלורופלטינאט. יון Pt² בנוי בתצורת d⁸.קבוצות הכלוריד מאלצות את אלקטרוני 3d של המתכת להתארגן מחדש, וכך נוצרים אורביטלים ריקים. האורביטל הריק משתלב עם אורביטל 4s ושני אורביטלי 4p ויוצר ארבעה אורביטלי dsp² מוכלאים המכוונים לעבר פינות מרובע. עם קבלת זוגות האלקטרונים מהליגנדות הכלורידיות, נוצר קומפלקס דיאמגנטית.למרות שקומפלקסי קוארדינציה שונים זו מזו בצבעים ובהתנהגות המגנטית שלהן, VBT לא מסבירה את הספקטרום האלקטרוני שלהן ואת השינוי בהתנהגותן המגנטית עם שינוי בטמפרטורה.

תאוריית הקשר הערכי

Valence Bond Theory

<div style="direction:rtl">

 תרכובות וקומפלקסים של קואורדינציה מציגים צבעים שונים, גיאומטריות והתנהגות מגנטית, בהתאם לאטום/יון המתכת ולליגנדים מהם הם מורכבים. בניסיון להסביר את הקשר והמבנה של קומפלקסים קואורדינציה, לינוס פאולינג הציע את תיאוריית קשר הערכיות, או VBT, תוך שימוש במושגים של הכלאה וחפיפה של האורביטלים האטומיים. לפי VBT, אטום המתכת המרכזי או היון (חומצת לואיס) מתכלאים כדי לספק אורביטלים ריקים של אנרגיה מתאימה. אורביטלים אלה מקבלים זוגות אלקטרונים מאורביטלי ליגנד מלאים (בסיסי לואיס) ליצירת קשרי מתכת-ליגנד קוולנטיים. סוג ההכלאה ומספר האורביטלים ההיברידיים קובעים את הגיאומטריה של הקומפלקס. 

 <table style="margin-left: auto; margin-right: auto;">
 <tbody>
 <tr>
 <td style="color: black; border: 1px solid black; text-align: center;">גיאומטריה</td>
 <td style="color: black; border: 1px solid black; text-align: center;">הכלאה</td>
 </tr>
 <tr>
 <td style="color: black; border: 1px solid black; text-align: center;">ליניארי </td>
 <td style="color: black; border: 1px solid black; text-align: center;">sp</td>
 </tr>
 <tr>
 <td style="color: black; border: 1px solid black; text-align: center;">טטרהדרלית</td>
 <td style="color: black; border: 1px solid black; text-align: center;">sp3</td>
 </tr>
 <tr>
 <td style="color: black; border: 1px solid black; text-align: center;">מישורי מרובע</td>
 <td style="color: black; border: 1px solid black; text-align: center;">dsp2</td>
 </tr>
 <tr>
 <td style="color: black; border: 1px solid black; text-align: center;">אוקטהדרלי </td>
 <td style="color: black; border: 1px solid black; text-align: center;">d2sp3 or sp3d2</td>
 </tr>
 </tbody>
 </table>

 בקומפלקס טטרהדרלי, שלושה אורביטלים p פנויים ואורביטל s פנוי אחד על המתכת ההיברידית ליצירת ארבעה אורביטלים היברידיים sp3, החופפים לאורביטלי הליגנד המלאים ליצירת קשר הקואורדינציה הקוולנטית. באופן דומה, נוצרים שישה אורביטלים היברידיים עבור הקומפלקסים האוקטהדרליים על ידי ערבוב האורביטלים האטומיים הפנויים על יון המתכת המרכזי (הכלאה d2sp3 או sp3d2 ). במקרה של קומפלקסים ליניאריים, האורביטל s אחד וp אחד חופפים, מה שמוביל ליצירת שני אורביטלים היברידיים sp. 

 קומפלקס אורביטלי פנימי וחיצוני 

 החוזק של הליגנדים המתקרבים משפיע על הכלאה של האורביטלים האטומיים על יון המתכת המרכזי. שקול את הדוגמה של קומפלקס אוקטהדרלי כגון [Co(NH3)6]3+.. יון Co3+ מכיל שישה אלקטרונים באורביטלים 3d ויש לו אורביטלים פנויים של 4s ו-4p. הליגנדים הנכנסים של NH3, שהם ליגנדים שדה חזקים, מאלצים את האלקטרונים 3d הלא-מזווגים להתארגן מחדש ולהתלכד עם האלקטרונים 3d האחרים. זה יוצר שני אורביטלים 3d פנויים, שמשתלבים עם אחד 4s ושלושה אורביטלים 4p ליצירת שישה אורביטלים היברידיים מקבילים שלd2sp3. ששת האורביטלים ההיברידיים חופפים לאורביטלים האטומיים המלאים של ליגנדים האמוניה כדי ליצור את הקומפלקס האוקטהדרלי. מכיוון שהאורביטלים הפנימייםd (3d) על המתכת משתתפים בהכלאה, [Co(NH3)6]3+ הוא קומפלקס אורביטל פנימי. בשל היעדר אלקטרונים לא מזווגים, הקומפלקס הוא דיאמגנטי, או נקרא קומפלקס ספין נמוך. 
 <img alt="תמונה 1" src="/files/ftp_upload/11460/11460_Image_1.png" style="text-align: center; height: 100px;"> 

 בקומפלקס אוקטהדרלי אחר כמו [Co(F)6]3+, מכיוון שהליגנד הפלואוריד הוא ליגנד שדה חלש, האלקטרונים 3d6 של המתכת אינם מתארגנים מחדש. כדי לספק אורביטלים פנויים להכלאה, שניים מהאורביטלים הריקים ביותר של 4d מתאחדים עם 4s ושלושת 4p אורביטלים ויוצרים שישה אורביטלים היברידיים פנויים. מכיוון שמשתמשים באורביטלים d החיצוניים ביותר, ההכלאה מכונה כהכלאה sp3d2, והקומפלקס נקרא קומפלקס אורביטלי חיצוני. נוכחותם של אלקטרונים לא מזווגים הופכת את הקומפלקס לפראמגנטי, ומכאן שהקומפלקסים הללו ידועים גם בתור קומפלקסים עם ספין גבוה. 
 <img alt="תמונה 2" src="/files/ftp_upload/11460/11460_Image_2.png" style="text-align: center; height: 100px;"> 

 קומפלקסים של אורביטלים חיצוניים או ספין גבוה הם יותר לביליים ופחות יציבים (בשל האנרגיות הגבוהות יותר של אורביטלים sp3d2) בהשוואה לקומפלקסים עם ספין נמוך או פנימי.</div>

תרכובות קואורדינציה וקומפלקסים מציגים צבעים שונים, גיאומטריות והתנהגות מגנטית, בהתאם לאטום / יון מתכת וליגנדות שמהן ...

Education

JoVE Core

Chemistry

כימיה

אחד

Transition Metals and Coordination Complexes

מתכות מעבר וקומפלקסים קואורדינציוניים

transition-metals-and-coordination-complexes

KEY TERMS AND CONCEPTS

מונחים ומושגים מרכזיים

metal ligand bonds in coordination complexes

Coordination complexes form metal-ligand bonds through valence bond theory. In this model, Linus Pauling explained bonding with hybridization and overlap of atomic orbitals. The central metal atom or ion acts as a Lewis acid. It uses empty orbitals of suitable energy to accept electron pairs from ligands, which act as Lewis bases. These coordinate covalent bonds help explain the color, geometry, and magnetic behavior seen in coordination compounds.

The type of hybridization helps determine the shape of the complex. A linear complex uses sp hybridization. A tetrahedral complex uses sp3 hybridization. A square planar complex uses dsp2 hybridization. Octahedral complexes use either d2sp3 or sp3d2 hybridization. In a tetrahedral complex, three vacant p orbitals and one vacant s orbital on the metal mix to make four sp3 hybrid orbitals. These overlap with filled ligand orbitals to form the bond. In a linear complex, one s orbital and one p orbital overlap to form two sp hybrid orbitals. Octahedral complexes form six hybrid orbitals from the vacant orbitals on the metal ion.

Ligand strength can change which orbitals the metal uses. A strong field ligand can force electrons to pair up, while a weak field ligand may not. The octahedral complex [Co(NH3)6]3+ is a good example. The Co3+ ion has six electrons in the 3d orbitals and vacant 4s and 4p orbitals. The NH3 ligands are strong field ligands, so the unpaired 3d electrons rearrange and pair. This creates two vacant 3d orbitals. These join with one 4s orbital and three 4p orbitals to make six d2sp3 hybrid orbitals. The ammonia ligands then overlap with these orbitals to form the octahedral complex.

Because the inner 3d orbitals take part in hybridization, [Co(NH3)6]3+ is an inner orbital complex. It has no unpaired electrons, so it is diamagnetic. It is also called a low spin complex. A similar octahedral complex, [Co(F)6]3+, behaves differently because fluoride is a weak field ligand. In that case, the 3d6 electrons do not rearrange. Two outer 4d orbitals combine with one 4s and three 4p orbitals to form six sp3d2 hybrid orbitals. Since outer d orbitals are used, this is an outer orbital complex. The unpaired electrons make it paramagnetic, so it is a high spin complex. High spin, or outer orbital, complexes are also more labile and less stable than low spin, inner orbital complexes.

Metal Ligand Bonds in Coordination Complexes

metal-ligand-bonds-in-coordination-complexes

properties of transition metals

Transition Metals in the Periodic Table

Transition metals are the d-block elements and the inner transition metals in the f-block. They are defined by partially filled d orbitals. In the periodic table, the transition elements are in groups 3 through 11, and the inner transition metals appear in the two rows below the main body of the table. The d-block is often grouped into transition series. The first transition series runs from Sc through Cu. The second series runs from Y through Ag. The third series includes La and Hf through...

coordination compounds and nomenclature

How Transition Metal Complexes Are Named

Transition metal complexes are named by following rules for ligands, metal ions, and oxidation state. These compounds form when a central metal ion or atom, often a transition metal or inner transition metal, accepts electron pairs from ligands. A ligand is a Lewis base that can be an atom, molecule, or ion with one or more lone pairs to donate. In these complexes, the bond is a coordinate covalent bond. That means both electrons in the bond come from the donor, such as ammonia, and are...

metal-ligand bonds

Coordination Complexes and Chelation

Coordination complexes form when a metal ion bonds to ligands. These compounds appear in familiar examples such as hemoglobin in blood, chlorophyll in green plants, vitamin B-12, and the catalyst used to make polyethylene. Transition metal ions are especially likely to form these complexes. In a coordination complex, the metal acts as a Lewis acid. The ligand acts as a Lewis base and donates both electrons in the coordinate covalent bond. A ligand can be an atom, molecule, or ion, as long as...

coordination number and geometry

Transition Metal Shapes from Coordination Number

Transition metal complexes are often identified by their coordination number and the shape around the metal ion. The coordination number is the number of donor atoms bonded to the central metal. In many complexes, the most common shapes are octahedral, tetrahedral, and square planar. Coordination number and molecular geometry are linked in a clear pattern. A coordination number of 2 gives a linear shape, as in [Ag(NH3)2]+. A coordination number of 3 gives a trigonal planar shape, as in...

structural isomerism

Linkage and Ionization Isomers

Isomers are different chemical species that share the same chemical formula. In coordination compounds, structural isomerism includes linkage isomers and coordination-sphere isomers. These two forms show how the same atoms can be arranged in different ways around a metal center. Linkage isomers form when a ligand can attach to a transition metal through two different atoms. The cyanide ligand, CN−, can bind through carbon or nitrogen. The thiocyanate ligand, SCN−, can bind through sulfur or...

stereoisomerism

Isomer Shapes in Coordination Complexes

Isomer shapes in coordination complexes can change a compound’s properties even when the chemical formula stays the same. Isomers are different chemical species with the same formula. In transition metal complexes, the atoms stay connected through the same types of bonds, but their arrangement in space can differ. One common form is geometric isomerism. In these complexes, ligands (the ions or molecules attached to the metal) can sit in cis or trans positions. The octahedral [Co(NH3)4Cl2]+ ion...

valence bond theory

Coordination complexes form metal-ligand bonds through valence bond theory. In this model, Linus Pauling explained bonding with hybridization and overlap of atomic orbitals. The central metal atom or ion acts as a Lewis acid. It uses empty orbitals of suitable energy to accept electron pairs from ligands, which act as Lewis bases. These coordinate covalent bonds help explain the color, geometry, and magnetic behavior seen in coordination compounds. The type of hybridization helps determine the...

crystal field theory - octahedral complexes

crystal-field-theory-octahedral-complexes

Octahedral d-Orbital Splitting in Crystal Fields

Crystal field theory explains how ligands affect the d orbitals in transition metal complexes. This electrostatic model helps predict the colors, magnetic behavior, and some structures of coordination compounds. It focuses on the nonbonding electrons on the central metal ion, not on the metal-ligand bonds. In crystal field theory, the metal ion and ligands are treated as very small point charges. Because electrons are negative, electrons donated by the ligands repel the electrons in the...

crystal field theory - tetrahedral and square planar complexes

crystal-field-theory-tetrahedral-and-square-planar-complexes

Crystal Field Splitting in Non-Octahedral Shapes

Crystal field theory also explains d orbital splitting in tetrahedral and square planar complexes. These shapes do not follow the same pattern as an octahedral complex, so the d orbitals respond to ligand placement in different ways. In tetrahedral complexes, the four ligands sit between the axes. None of the d orbitals points directly at the ligands, but the d x2−y2 and d z2 orbitals lie along the Cartesian axes and overlap less with the ligands than the d xy, d xz, and d yz orbitals. The d...

colors and magnetism

Color and Spin in Coordination Complexes

Color in coordination complexes comes from how metal electrons absorb light. When atoms or molecules absorb light at the right frequency, electrons move to higher-energy orbitals. For many main-group atoms and molecules, the absorbed light is ultraviolet and cannot be seen. In coordination compounds, the energy gap between d orbitals often matches visible light, so the compound can absorb and emit colors that the human eye detects. Small changes in orbital energy can cause large shifts in the...

key terms and concepts

Learn how valence bond theory explains metal-ligand bonding, hybridization, complex shape, and the difference between inner and outer orbital complexes.

Metal Ligand Bonds in Coordination Complexes | JoVE K12

chemistry

JoVE Core Chemistry brings general chemistry concepts to life using concise and easy-to-understand animated video lessons. Plus, in the scientist-in-action videos, we demonstrate classical and original research experiments performed in today's laboratories worldwide.

Metal Ligand Bonds in Coordination Complexes

Description

Transcript

Tags