Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
כדי להסביר את ההתנהגות הנצפית של קומפלקסים של מתכות מעבר (כגון צבעים), פותח מודל המערב אינטראקציות אלקטרוסטטיות בין האלקטרונים מהליגנדים והאלקטרונים באורביטליםd הבלתי-היברידיים של אטום המתכת המרכזי. מודל אלקטרוסטטי זה הוא תורת שדות הקריסטל (CFT). זה עוזר להבין, לפרש ולחזות את הצבעים, ההתנהגות המגנטית וכמה מבנים של תרכובות קואורדינציה של מתכות מעבר.
CFT מתמקד באלקטרונים הלא-קשורים על יון המתכת המרכזי בקואורדינציה ולא על קשרי המתכת-ליגנד. כמו תאוריית קשרי הערכיות, CFT מספרת רק חלק מסיפור התנהגותם של קומפלקסים. בצורתו הטהורה, CFT מתעלם מכל קשר קוולנטי בין ליגנדים ויוני מתכת. גם הליגנד וגם המתכת מטופלים כמטענים נקודתיים קטנים אינסופיים.
כל האלקטרונים הם שליליים, ולכן האלקטרונים שנתרמו מהליגנדים ידחו את האלקטרונים של המתכת המרכזית. קחו בחשבון את התנהגות האלקטרונים באורביטלים הבלתי-היברידיים של d בקומפלקס אוקטהדרלי. חמשת האורביטלים של d מורכבים מאזורים בצורת אונה והם מסודרים במרחב, כפי שמוצג באיור 1. במתחם אוקטהדרלי, ששת הליגנדים מתואמים לאורך הצירים.
איור 1. מאפייני הכיוונים של חמשת האורביטלים d מוצגים כאן. החלקים המוצללים מציינים את שלב האורביטלים. הליגנדים (L) מתואמים לאורך הצירים בקומפלקסים אוקטהדרליים. למען הבהירות, הליגנדים הושמטו מהאורביטל dx2−y2 כך שניתן יהיה להציג את תוויות הציר.
ביון מתכת לא מורכב בשלב הגז, האלקטרונים מפוזרים בין חמשת האורביטלים d בהתאם לכלל הונד מכיוון שלאורביטלים כולם יש אותה אנרגיה. בקומפלקס מתכת מעבר, האנרגיות של אורביטלים d של אטומי מתכת מעבר מושפעות מסוג הליגנדים והגיאומטריה המולקולרית. אם מולקולות הליגנד מסודרות באופן אחיד סביב יון המתכת, נוצר שדה קריסטלי כדורי. שדה קריסטל כדורי זה מעלה את האנרגיות של האורביטלים d של יון המתכת בכמות שווה (איור 2). כאשר הליגנדים מתואמים ליון מתכת בגיאומטריה אוקטהדרלית, האנרגיות של האורביטלים d כבר אינן זהות.
איור 2. האורביטלים d של יון המתכת בשדה קריסטלי כדורי אינם יציבים (גבוהים יותר באנרגיה) בהשוואה לאורביטלים d של יון המתכת החופשי הלא מורכב. בקומפלקסים אוקטהדרליים, האורביטלים eg למשל מעורערים יותר (באנרגיה גבוהה יותר) בהשוואה לאורביטלים t2g מכיוון שהליגנדים מקיימים אינטראקציה חזקה יותר עם האורביטלים d שאליהם הם מכוונים ישירות.
בקומפלקסים אוקטהדרלים, האונות בשניים מחמשת האורביטלים d, האורביטלים dx2−y2 ו-dz2, מצביעות לעבר הליגנדים (איור 1). שני האורביטלים הללו נקראים אורביטלים eg (הסמל מתייחס לסימטריה של האורביטלים). לשלושת האורביטלים האחרים, האורביטלים dxy, dxz ו-dyz, יש אונות שמצביעות בין הליגנדים ונקראות אורביטלים t2g (שוב, הסמל מתייחס לסימטריה של האורביטלים). כאשר שישה ליגנדים מתקרבים ליון המתכת לאורך צירי האוקטהדרון, המטענים הנקודתיים שלהם דוחים את האלקטרונים באורביטלים d של יון המתכת. עם זאת, הדחייה בין האלקטרונים באורביטלים eg(האורביטלים dx2-y2) והליגנדים גדולים יותר מהדחיות בין האלקטרונים באורביטלים t2g (האורביטלים dxy, dxz ו-dyz) והליגנדים. הסיבה לכך היא שהאונות של האורביטלים eg מצביעות ישירות על הליגנדים, ואילו האונות של אורביטלים t2g מצביעות ביניהן. לפיכך, לאלקטרונים באורביטלים eg של יון המתכת בקומפלקס אוקטהדרלי יש אנרגיות פוטנציאליות גבוהות יותר מאלו של אלקטרונים באורביטלים t2g. ההבדל באנרגיה עשוי להיות מיוצג כפי שמוצג באיור 2.
ההבדל באנרגיה בין האורביטלים eg ל-t2g נקרא פיצול שדה הקריסטל ומסומל על ידי Δoct, כאשר oct מייצג אוקטהדר. גודלו של Δoct תלוי בגורמים רבים, כולל אופי ששת הליגנדים הממוקמים סביב יון המתכת המרכזי, המטען על המתכת, והאם המתכת משתמשת באורביטלים 3d או 4d או 5d. ליגנדים שונים מייצרים פיצולים שונים של שדה קריסטל. פיצול שדה הקריסטל הגובר המיוצר על ידי ליגנדים מתבטא בסדרה הספקטרוכימית, שגרסה קצרה שלה מובאת כאן:
טקסט זה מותאם מ Openstax, Chemistry 2e, Section:19.3: Spectroscopic and Magnetic Properties of Coordination Compounds.
תאוריית שדה הגביש מתארת את המבנה האלקטרוני של תרכובות של מתכות מעבר, על פי אינטראקציות אלקטרוסטטיות בין יוני מתכת המעבר ומולקולות ליגנדות. התאוריה מסבירה תכונות מסוימות של קומפלקסים של מתכות מעבר כגון מגנטיות וצבע. האינטראקציות האלקטרוסטטיות בין מולקולות הליגנדות ויון המתכת בקומפלקסים של מתכות מעבר ממודלות על ידי אומדן של ליגנות כמטענים נקודתיים שליליים וחישוב השדה האלקטרוסטטי נטו, או שדה הגביש, בעקבות המטענים הללו.
את המבנה האלקטרוני של קומלקסי מתכת מעבר ניתן לתאר באמצעות בחינה של אפקט השדה המגנטי על האנרגיות של אורביטלי הערכיות של יון מתכת המעבר. לדוגמה, במודלים של התרכבות האוקטהדרלית הקסאמינקובאלט, כל ליגנדת אמין מוחלפת במטען נקודתי שלילי, מה שמוביל לשדה גבישי אוקטהדרלי. בהשפעתו של שדה זה, האנרגיות של חמשת אורביטלי d של יון Co(III)כבר לא אותו דבר.
כאן לאורביטלי dx²-y² ו-dz² יש אנרגיה גבוהה יותר מאשר לאורביטלי dxy, dyz ו-dxz. זה מיוחס לכיוון של אורביטלי d. האונות של אורביטלי dx²-y² ו-dz² מכוונות ישירות לעבר הליגנדות.
בהתאם לכך, האלקטרונים של האורביטלים הללו חווים דחייה חזקה יותר ממטעני הליגנדות. לאורביטלים בעלי האנרגיה הגבוהה יותר יש סימטריית e_g והם נקראים סט אורביטלי ה-e_g, בעוד שלאורביטלים בעלי האנרגיות הנמוכות יותר יש סימטריית t_2g והם מהווים את הסט סט אורביטלי t_2g. הפרש האנרגיה בן שני הסטים מוכר כאנרגיית פיצול של שדה הגביש, המיוצג על ידי הסמל Δoct.
העוצמה של Δoct תלויה באינטראקציה האלקטרוסטטית הכוללת בין יון המתכת למולקולות הליגנדים. חלק מהליגנדים, כגון קרבוניל, יוצרים שדה גביש חזק, המוביל לערך Δoct גדול. ליגנדות כאלה נקראות ליגנדות שדה חזק.
לעומת זאת, לליגנדות כמו יוד יש ערכים קטנים של Δoct והן מוכרות כליגנדות שדה חלש. יכולתן של ליגנדות להעלות ערכים של Δoct מתועדת בסדרה ספקטרוכימית. עלייה במטען של יון המתכת גורמת גם לעלייה באינטראקציה האלקטרוסטטית הכוללת בתוך הקומפלקס, ולכן מובילה לערך גבוה יותר של Δoct.
Transition Metals and Coordination Complexes
30.5K צפיות
Transition Metals and Coordination Complexes
27.7K צפיות
Transition Metals and Coordination Complexes
25.2K צפיות
Transition Metals and Coordination Complexes
19.4K צפיות
Transition Metals and Coordination Complexes
22.3K צפיות
Transition Metals and Coordination Complexes
14.3K צפיות
Transition Metals and Coordination Complexes
11.5K צפיות
Transition Metals and Coordination Complexes
49.3K צפיות
Transition Metals and Coordination Complexes
14.4K צפיות
