第二章 晶体场理论
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§3-2 晶体场理论㈠ 晶体场模型晶体场理论的基本观点:络合物的中心原子(或离子)和周围配体之间的相互作用是纯粹的静电作用。
♦ 这种化学键类似于离子晶体中正、负离子间的静电作用,不具有共价键的性质。
在自由的过渡金属离子中,5个d 轨道是能量简并的,但在空间的取向不同。
下面的角度分布图画出了各个d 轨道的空间取向,xyd xyxzd xzyzd yzxyd x -yxzd z在电场的作用下,原子轨道的能量升高。
① 在球形对称的电场中,各个d 轨道能量升高的幅度一致。
能量自由原子中的d 轨道球对称电场中原子中的d 轨道② 在非球形对称的电场中,由于5个d 轨道在空间有不同取向,根据电场的对称性不同,各轨道能量升高的幅度可能不同,即,原来的简并的d 轨道将发生能量分裂,分裂成几组能量不同的d 轨道。
配体形成的静电场是非球对称的。
配位场效应:中心原子(或离子)的简并的d 轨道能级在配体的作用下产生分裂。
㈡ 晶体场中的 d 轨道能级分裂 ⑴ 正八面体场(O h )中的d 轨道能级分裂① d 轨道的分裂六个配体沿 x,y,z 轴的正负6个方向分布,以形成电场。
配体的孤对电子的负电荷与中心原子d 轨道中的电子排斥,导致d 轨道能量升高。
• 如果将配体的静电排斥作用进行球形平均,该球形场中,d 轨道能量升高的程度都相同,为E s 。
• 实际上各轨道所受电场作用不同, d z 2和d x 2-y 2的波瓣与六个配体正对,受电场的作用大,因此能量的升高程度大于在球形场中能量升高的平均值。
而d xy 、d yz 、d xz 不与配体相对,能量升高的程度相对较少。
自由原子xy yz xzd x 2-y 2d z 2(d g 或e g )(d e 或t 2g )高能量的d z 2和d x 2-y 2轨道(二重简并)统称为d g 或e g 轨道;能量低的d xy 、d yz 、d xz 轨道(三重简并)统称为d e 或t 2g 轨道。
第二章配合物的化学键理论内容:研究中心原子和配体之间结合力的本性。
目标:解释性质,如配位数、几何结构、磁学性质、光谱、热力学稳定性、动力学反应性等。
三种理论:①价键理论、②晶体场理论、③分子轨道理论第一节价键理论(Valence bond theory)由L.Pauling提出一、理论要点:①配体的孤对电子可以进入中心原子的空轨道;中心原子总是用空轨道杂化,然后用杂化轨道接收配体提供的孤对电子。
②中心原子用于成键的轨道是杂化轨道(用于说明构型)。
中心原子的价层电子结构与配体的种类和数目共同决定杂化类型。
③杂化类型决定配合物的空间构型,磁距和相对稳定性。
二、轨道杂化及对配合物构型的解释能量相差不大的原子轨道可通过线性组合构成相同数目的杂化轨道。
对构型的解释(依据电子云最大重叠原理:杂化轨道极大值应指向配体)指向实例sp3、sd3杂化四面体顶点Ni(CO)4sp2、sd2、dp2、d3杂化三角形顶点[AgCl3]2-dsp2、d2p2 杂化正方形顶点[PtCl4]2-d2sp3杂化八面体顶点[ Fe(CN)6]4-sp杂化直线型[AgCl2]-三、内轨型和外轨型若要形成ML6型配合物(L为单齿配体),则需要6个空杂化轨道接收6个L提供的孤电子对,满足该条件的杂化类型有d2sp3和sp3 d2。
尽管这两种杂化都导致八面体型配合物,但前者是次外层(n-1)d轨道,而后者是最外层nd轨道,因此与这两种杂化相应的配合物分别称内轨型和外轨型配合物。
中心原子的价层电子数和配体的性质都是影响配合物内轨型和外轨型的因素。
当d电子数≤3时,该层空d轨道≥2,总是生成内轨型配合物。
当中心原子价层d电子数为7~10时,即使强制d轨道中的电子配对,所能得到的该层空d轨道数也小于2,因此只能用最外层d轨道参与杂化,总是生成外轨型配合物。
当中心原子价层d电子数为4~6时,对于配位能力较强的配体,即配位原子电负性较小,容易给出孤电子对,对中心原子价层d电子排布影响较大,强制d电子配对,空出2个价层d轨道参与d2sp3杂化,生成内轨型配合物.若配体的配位能力较弱,即配位原子电负性较大,则不易给出孤电子对,对中心原子价层d电子排布影响较小,只能用最外层d轨道参与杂化,生成外轨型配合物。
晶体场理论晶体场理论(英语:Crystal field theory,首字母縮略字:CFT)是配位化学理论的一种,1929-1935年由汉斯·贝特和约翰·哈斯布鲁克·范扶累克提出。
它以过渡金属配合物的电子层结构为出发点,可以很好地解释配合物的磁性、颜色、立体构型、热力学性质和配合物畸变等主要问题,但不能合理解释配体的光谱化学序列和一些金属有机配合物的形成。
晶体场理论将配位键看成纯离子键,着眼于中心原子的d轨道在各种对称性配位体静电场中的变化,简明直观,结合实验数据容易进行定量或半定量的计算。
但在实际配合物中,纯离子键或纯共价键都很罕见,目前配合物的结构理论兼有晶体场理论和分子轨道理论的精髓,称之为配位场理论。
[编辑]概述晶体场理论认为,配合物中心原子处在配体所形成的静电场中,两者之间完全靠静电作用结合,类似于正负离子之间的作用。
在晶体场影响下,五个简并的d 轨道发生能级分裂,d电子重新分布使配合物趋于稳定。
[编辑]能级分裂d原子轨道分为、、、和五种,其空间取向各不相同,但能级却是相同的,参见原子轨道。
在一定对称性的配体静电场(负)作用下,由于与配体的距离不同,d轨道中的电子将不同程度地排斥配体的负电荷,d轨道开始失去简并性而发生能级分裂。
能级分裂与以下因素有关:∙金属离子的性质;∙金属的氧化态,高氧化态的分裂能较大;∙配合物立体构型,即配体在金属离子周围的分布;∙配体的性质。
最常见的配合物构型为八面体,其中中心原子位于八面体中心,而六个配体则沿着三个坐标轴的正、负方向接近中心原子。
先将球形场的能级记为。
和轨道的电子云极大值方向正好与配体负电荷迎头相碰,排斥较大,因此能级升高较多,高于。
而、和轨道的电子云则正好处在配体之间,排斥较小,因此能级升高较小,低于。
因而d轨道分裂为两组能级:∙和轨道,能量高于,记为或轨道;∙、和轨道,能量低于,记为或轨道。
和是来自于群论的对称性符号。