Name: octahedral d-orbital splitting in crystal fields
Uploaded: 2020-09-24T15:06:53.000Z
Duration: 2 min 58 s
Channel: JoVE

Kristal alan teorisi, geçiş metali iyonları ve ligand molekülleri arasındaki elektrostatik etkileşimlere dayanan geçiş metali komplekslerinin elektronik yapısını tanımlar. Manyetizma ve renk gibi geçiş metali komplekslerinin belirli özelliklerini açıklamak için kullanılmıştır. Ligand molekülleri ve bir geçiş metali kompleksindeki metal iyonu arasındaki elektrostatik etkileşimler, ligandları negatif nokta yükleri olarak yaklaştırarak ve bu yükler nedeniyle net elektrostatik alan veya kristal alan hesaplanarak modellenir.Geçiş metali kompleksinin elektronik yapısı daha sonra kristal alanın geçiş metali iyonunun değerlik orbitallerinin enerjileri üzerindeki etkisi incelenerek açıklanabilir. Örneğin, oktahedral kompleks heksaamminkobalt modellenirken, her bir amin ligand, bir oktahedral kristal alan ile sonuçlanan bir negatif nokta yükü ile değiştirilir. Bu alanın etkisi altında, Co iyonunun beş d yörüngesinin enerjileri artık aynı değildir.Burada, dx² y² ve dz² orbitalleri, dxy, dyz ve dxz orbitallerinden daha yüksek enerjiye sahiptir. Bu, d orbitallerinin oryantasyonuna atfedilir. Dx² y² ve dz² orbitallerinin lobları doğrudan ligandları işaret eder, buna göre bu orbitallerdeki elektronlar ligand yüklerinden daha güçlü itme yaşarlar.Daha yüksek enerjili orbitaller e_g simetrisine sahiptir ve e_g orbital seti olarak bilinirken, daha düşük enerjili orbitaller t_2g simetrisine sahiptir ve t_2g orbital setini oluşturur. İki küme arasındaki enerji farkı, Δoct sembolü ile temsil edilen kristal alan bölme enerjisi olarak bilinir. Δoct'un büyüklüğü, metal iyonu ile ligand molekülleri arasındaki net elektrostatik etkileşime bağlıdır.Karbonil gibi bazı ligandlar güçlü bir kristal alan oluşturur ve bu da büyük bir Δoct değeri ile sonuçlanır. Bu tür ligandlara güçlü alan ligandları denir. Buna karşılık, iyodür gibi ligandlar küçük oct değerleri sergiler ve zayıf alan ligandları olarak bilinir.Ligandların artan Δoct değerlerine neden olma kabiliyeti, spektrokimyasal serilerde listelenmiştir. Metal iyonu üzerindeki yükteki artış, kompleks içindeki net elektrostatik etkileşimi de arttırır, böylece daha yüksek bir Δoct değeri ile sonuçlanır.

kristal alan teorisi-oktahedral kompleksler

Crystal Field Theory - Octahedral Complexes

<h3>Kristal Alan Teorisi</h3>
 
 Geçiş metali komplekslerinin (renkler gibi) gözlemlenen davranışını açıklamak için, ligandlardan gelen elektronlar ile merkezi metal atomunun köprülenmemiş d orbitallerindeki elektronlar arasındaki elektrostatik etkileşimleri içeren bir model geliştirilmiştir. Bu elektrostatik model kristal alan teorisidir (CFT). Geçiş metallerinin koordinasyon bileşiklerinin renklerini, manyetik davranışlarını ve bazı yapılarını anlamaya, yorumlamaya ve tahmin etmeye yardımcı olur.
 
 CFT, metal-ligand bağları üzerinde değil, koordinasyon komplekslerinde merkezi metal iyonu üzerindeki bağlanmayan elektronlara odaklanır. Değerlik bağı teorisi gibi, CFT de komplekslerin davranış hikayesinin sadece bir kısmını anlatır. Saf haliyle, CFT ligandlar ve metal iyonları arasındaki herhangi bir kovalent bağı göz ardı eder. Hem ligand hem de metal sonsuz küçük nokta yükleri olarak kabul edilir.
 
 Tüm elektronlar negatiftir, bu nedenle ligandlardan bağışlanan elektronlar merkezi metalin elektronlarını itecektir. Oktahedral komplekste hibritleşmemiş d atomu içindeki elektronların davranışlarını göz önünde bulundurun. Beş d orbitali lob şeklindeki bölgelerden oluşur ve Şekil 1'de gösterildiği gibi uzayda düzenlenmiştir. Oktahedral bir kompleks içinde, altı ligand, eksenler boyunca koordine olur.
 
 <img alt="Image1" src="/files/ftp_upload/11461/11461_Image_1.png" style="text-align: center; height: 200px;" />
 
 Şekil 1. Beş d orbitalinin yön özellikleri burada gösterilmiştir. Gölgeli kısımlar orbitallerin fazını gösterir. Ligandlar (L) oktahedral komplekslerdeki eksenler boyunca koordine olur. Netlik için, ligandlar dx2−y2 orbitalinden çıkarılmıştır, böylece eksen etiketleri gösterilebilir.
 
 Gaz fazındaki karmaşık olmayan bir metal iyonunda, elektronlar Hund kuralına uygun olarak beş d orbitali arasında dağıtılır, çünkü orbitallerin hepsi aynı enerjiye sahiptir. Geçiş metali komplekslerinde, geçiş metali atomlarının d orbitallerinin enerjileri ligandların türünden ve moleküler geometriden etkilenir. Ligand molekülleri, metal iyonu etrafında düzgün bir şekilde düzenlenirse, küresel bir kristal alan oluşturulur. Bu küresel kristal alan, metal iyonunun d orbitallerinin enerjilerini eşit miktarda yükseltir (Şekil 2). Ligandlar oktahedral geometride bir metal iyonuna koordine olduklarında, d orbitallerinin enerjileri artık aynı değildir.
 
 <img alt="Image2" src="/files/ftp_upload/11461/11461_Image_2.png" style="text-align: center; height: 350px;" />
 
 Şekil 2. Küresel bir kristal alandaki metal iyonunun d orbitalleri, kompleks olmayan serbest metal iyonunun d orbitallerine kıyasla dengesizleştirilir (enerjide daha yüksektir). Oktahedral komplekslerde, eg orbitalleri t2g orbitallerine kıyasla daha da dengesizleştirilir (enerjide daha yüksektir), çünkü ligandlar doğrudan işaret ettikleri d orbitalleriyle daha güçlü etkileşime girer.
 
 Oktahedral komplekslerde, beş d orbitalinin ikisindeki loblar, dx2−y2 ve dz2 orbitalleri ligandlara işaret eder (Şekil 1). Bu iki orbital eg orbitalleri olarak adlandırılır (sembol orbitallerin simetrisini ifade eder). Diğer üç orbital, dxy, dxz ve dyz orbitalleri, ligandlar arasında işaret edilen ve t2g orbitalleri olarak adlandırılan loblara sahiptir (yine, sembol orbitallerin simetrisini ifade eder). Altı ligand, oktahedronun eksenleri boyunca metal iyonuna yaklaştıkça, nokta yükleri, metal iyonunun d orbitallerindeki elektronları iter. Bununla birlikte, eg orbitallerindeki elektronlar (dx2−y2 orbitalleri) ve ligandlar arasındaki itmeler, t2g orbitallerindeki elektronlar (dxy, dxz ve dyz orbitalleri) ve ligandlar arasındaki itmelerden daha büyüktür. Bunun nedeni, eg orbitallerinin loblarının doğrudan ligandlara işaret etmesidir, oysa t2g orbitallerinin lobları arasında işaret eder. Bu nedenle, bir oktahedral kompleksteki metal iyonunun eg orbitallerindeki elektronlar, t2g orbitallerindeki elektronlardan daha yüksek potansiyel enerjilere sahiptir. Enerji farkı, Şekil 2'de gösterildiği gibi temsil edilebilir.
 
 eg ve t2g orbitalleri arasındaki enerji farkına kristal alan bölünmesi denir ve oct'nin oktahedral anlamına geldiği Δoct ile sembolize edilir. Δoct'nin büyüklüğü, merkezi metal iyonu etrafında bulunan altı ligandın doğası, metal üzerindeki yük ve metalin 3d,4d veya 5d orbitalleri kullanıp kullanmadığı dahil olmak üzere birçok faktöre bağlıdır. Farklı ligandlar farklı kristal alan bölünmeleri üretir. Ligandlar tarafından üretilen kristal alanın artan bölünmesi, kısa bir versiyonu burada verilen spektrokimyasal serilerde ifade edilir:
 
 <img alt="Image3" src="/files/ftp_upload/11461/11461_Image_3.png" style="text-align: center; height: 100px;" />
 
 Bu metin bu kaynaktan uyarlanmıştır: <a href="https://openstax.org/books/chemistry-2e/pages/19-3-spectroscopic-and-magnetic-properties-of-coordination-compounds">Openstax, Chemistry 2e, Section:19.3: </a><a href="https://openstax.org/books/chemistry-2e/pages/19-3-spectroscopic-and-magnetic-properties-of-coordination-compounds">S</a><a href="https://openstax.org/books/chemistry-2e/pages/19-3-spectroscopic-and-magnetic-properties-of-coordination-compounds">pectroscopic and Magnetic Properties of Coordination Compounds</a>.

Kristal Alan Teorisi-Oktahedral Kompleksler

Kristal Alan Teorisi
Geçiş metali komplekslerinin (renkler gibi) gözlemlenen davranışını açıklamak için, aralarındaki elektrostatik etkileşimleri içeren bir model ...

crystal-field-theory-octahedral-complexes

Education

JoVE Core

Chemistry

Kimya

Transition Metals and Coordination Complexes

Geçiş Metalleri ve Koordinasyon Kompleksleri

transition-metals-and-coordination-complexes

KEY TERMS AND CONCEPTS

TEMEL TERİMLER VE KAVRAMLAR

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 metal’s unhybridized d orbitals. In its pure form, this model ignores covalent bonding between ligands and metal ions, so it gives only part of the full picture.

The five d orbitals have different shapes and directions in space. In an octahedral complex, six ligands approach the metal ion along the axes. In a free metal ion in the gas phase, the d orbitals have the same energy, so electrons fill them according to Hund’s rule.

When ligands are arranged evenly around a metal ion, they create a spherical crystal field. This field raises the energy of all the d orbitals by the same amount. The picture changes in an octahedral geometry, where the d orbitals no longer all stay at the same energy.

In an octahedral complex, the d x2-y2 and d z2 orbitals point directly toward the ligands. These are called the e g orbitals. The d xy, d xz, and d yz orbitals point between the ligands, and these are called the t 2g orbitals. Because the e g orbitals face the ligands more directly, they feel stronger repulsion and have higher energy than the t 2g orbitals.

The energy gap between the e g and t 2g orbitals is called crystal field splitting and is written as Δ oct. The size of Δ oct depends on the ligands around the metal ion, the charge on the metal, and whether the metal uses 3 d, 4 d, or 5 d orbitals. Different ligands produce different splitting values, which are organized in the spectrochemical series.

Octahedral d-Orbital Splitting in Crystal Fields

octahedral-d-orbital-splitting-in-crystal-fields

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

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...

crystal field theory - octahedral complexes

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 octahedral ligands split d orbitals into e g and t 2g levels, and how crystal field splitting affects color, magnetism, and structure.

Octahedral d-Orbital Splitting in Crystal Fields | JoVE K12

chemistry

JoVE Core Kimya, özlü ve kolay anlaşılır animasyon video derslerini kullanarak genel kimya kavramlarına hayat veriyor. Ek olarak, bilim insanı uygulama videolarımız ile klasik ve orijinal araştırma deneylerini dünya çapında günümüz laboratuvarlarında görselleştiriyoruz.

Octahedral d-Orbital Splitting in Crystal Fields

Description

Transcript

Tags