20.10
Koordinasyon Komplekslerinde Renk
Atomlar veya moleküller ışığı uygun frekansta emdiğinde, elektronları daha yüksek enerjili orbitallere uyarılır. Bir…
Geçiş metali kompleksleri, bu bileşikler tarafından görünür ışığın belirli dalga boylarının absorblanmasına atfedilen çeşitli farklı renkler sergiler. Bir elektronu daha düşük bir enerji seviyesinden daha yüksek bir enerji seviyesine çıkarmak için gerekli enerjiye sahip olduğunda ışık emilir. Sonuç olarak, geçiş metali kompleksleri genellikle, tipik olarak görünür ışık aralığında olan, kompleksin kristal alan ayırma enerjisini veya deltasına uyan ışığı emer.
Örneğin, hexafluorocobaltate kırmızı ışığı güçlü bir şekilde emer, ancak minimum düzeyde yeşil ışığı absorbe ederek yeşil renkli görünmesine neden olur. Daha yüksek bir deltaya sahip olan Hexaamminecobalt yüksek enerjili mavi ışığı güçlü bir şekilde emer ancak sarı ışığı minimum düzeyde absorbe eder. Buna göre, hekzaamminkobalt sarı renkte görünür.
Daha küçük heksaflorokobaltat deltasının etkileri rengiyle sınırlı değildir. Delta yeterince düşük olduğunda, hekzaflorokobaltatta olduğu gibi, elektronlar düşük enerjili orbitallerde eşleşmeden önce tek başına yüksek enerjili orbitalleri işgal eder. Burada delta, spin çifti enerjisine kıyasla daha küçüktür aynı yörüngedeki elektronlar arasındaki elektrostatik itmenin enerjisi.
Bu nedenle, elektronların deltanın üstesinden gelmeleri ve yüksek enerjili orbitalleri işgal etmeleri, düşük enerjili orbitallerde çiftleşmek için spin-çifti enerjisinin üstesinden gelmekten enerjik olarak daha mümkündür. Aksine, hexaamminecobalt de delta, spin-eşleştirme enerjisinden daha büyüktür. Buna göre, elektronlar düşük enerjili yörüngelerde çiftleşir ve Hund kuralından beklendiği gibi yüksek enerjili yörüngeleri boş bırakır.
Elektronik dağıtımdaki bu farkın bir sonucu olarak, Co iyonu heksaflorokobaltat içinde dört eşleşmemiş elektrona sahipken, heksaamminkobalt içinde sıfır eşleşmemiş elektrona sahiptir. Buna göre, birincisi yüksek spinli kompleks olarak ve ikincisi düşük spinli kompleks olarak etiketlenir. Genel olarak, küçük delta değerleri ile ilişkili zayıf alan ligandları yüksek spinli komplekslere yol açarken, yüksek delta değerlerini destekleyen güçlü alan ligandları düşük spinli kompleksler oluşturur.
Yüksek spinli ve düşük spinli kompleksler çok farklı manyetik özellikler sergileyebilir. Örneğin, yüksek spinli heksaflorokobaltat eşleşmemiş elektronları nedeniyle bir mıknatıs tarafından çekilir ve paramanyetik olarak adlandırılır. Bu arada, düşük dönüş hexaamminecobalt bir mıknatıs tarafından itilir ve diyamanyetik olarak etiketlenir.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
Q1: Why do transition metal complexes appear in different colors?
Transition metal complexes absorb specific wavelengths of visible light when photons have enough energy to excite electrons between d orbitals. The absorbed light depends on crystal field splitting energy (delta), which determines which colors are absorbed and thus which colors appear to the human eye. For example, hexafluorocobaltate(III) absorbs red light and appears green, while hexaamminecobalt(III) absorbs blue light and appears yellow.
Q2: What is the relationship between ligand strength and complex color?
Strong-field ligands create large crystal field splitting (large delta), causing complexes to absorb high-energy violet or blue light and appear yellow, orange, or red. Weak-field ligands produce small delta values, causing complexes to absorb lower-energy yellow, orange, or red light and appear blue-green, blue, or indigo. The spectrochemical series ranks ligands by their ability to split d orbital energies.
Q3: How does crystal field splitting energy determine whether a complex is high-spin or low-spin?
When delta is smaller than the spin-pairing energy, electrons occupy higher-energy orbitals singly before pairing, creating high-spin complexes with unpaired electrons. When delta exceeds spin-pairing energy, electrons pair in lower-energy orbitals first, forming low-spin complexes with fewer unpaired electrons. Hexafluorocobaltate(III) is high-spin with four unpaired electrons, while hexaamminecobalt(III) is low-spin with zero unpaired electrons.
Q4: What makes a complex paramagnetic or diamagnetic?
Complexes with unpaired electrons are paramagnetic and attracted to magnetic fields. High-spin complexes like hexafluorocobaltate(III) are paramagnetic due to their unpaired electrons. Complexes with no unpaired electrons are diamagnetic and repelled by magnetic fields. Low-spin hexaamminecobalt(III) is diamagnetic because all electrons are paired in lower-energy orbitals.
Q5: Why do different oxidation states of the same metal produce different colored complexes?
Different oxidation states alter the number of d electrons available for excitation and change the crystal field splitting energy. For example, Cu+ complexes with d10 configuration require ultraviolet photons to excite electrons, appearing colorless. Cu2+ complexes have vacancies in d orbitals that allow visible light absorption, appearing blue, blue-green, violet, or yellow depending on the ligands present.
Q6: How does the number of unpaired electrons relate to magnetic moment?
The magnetic moment of a complex is directly proportional to the number of unpaired electrons present. Complexes with more unpaired electrons exhibit larger magnetic moments. Measuring the magnetic moment experimentally confirms the spin state: high-spin d6 [Fe(H2O)6]2+ shows four unpaired electrons with a corresponding magnetic moment, while low-spin d6 [Fe(CN)6]4− is diamagnetic with zero unpaired electrons.
Q7: What determines whether a coordination complex absorbs visible or ultraviolet light?
The energy gap between d orbitals determines the wavelength of absorbed light. When all d orbitals are filled (like Cu+ with d10 configuration), electrons must be excited to much higher orbitals, requiring ultraviolet photons and producing colorless complexes. When d orbital vacancies exist, visible light photons can excite electrons, producing colored complexes. The specific ligands coordinated to the metal center influence this energy gap.