第三章 配位化合物的电子结构

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• 如d2组态能级图中 的1A1g和1Eg等就是 弯曲的
dn组态离子在配位体场中的能级图 continue…
• 由同一光谱项分裂而来的能态, 在不同电子组态时,能量高低 的顺序有时是颠倒的
– 例如光谱项F在八面体场的作用 下,分裂为A2g,T2g和T1g.在d2组 态时,能量高低的顺序是: A2g>T2g>T1g – 而在d8组态却恰恰相反,能量高 低的顺序是 T1g >T2g> A2g *因为d2是两个d电子,而d8是两 个空穴.
d 轨道能级的分裂 continue…
• 若八面体配合物发生四角畸变, 形成拉长的八面体,即沿z轴方 向上的两个配体逐渐远离中心金 属离子.与此同时,为保持总的 库仑能不变, x、-x和y、-y方向上 的配体, 必然进一步向中心金 属离子靠拢.在这种情况下,eg 轨道的能量会因为dz2轨道能量员 的下降,进一步发生分裂. t2g轨 道的能量也会因为dxy轨道能量的 升高而进一步发生分裂,结果, 简并度下降.在极端的情况下, 由于z和-z方向上配体的远离,最 终完全脱离和中心金属离子的相 互作用,以致六配位的八面体配 合物转变成四配位的平面正方形 配合物.
• 光谱项左上角的(2S+1)为自旋多重态(spin mutiplicities),
– – – – 2S+1=1, 单重态(singlet), 无末成对电子 2S+1=2, 二重态(doublet), 有一个末成对电子 2S+1=3, 三重态(triplet), 有两个未成对电子 …
自由离子的能级状态 continue…
– – – – d 电子, 故l=2,ml=+/- 2、+/- 1、0,ms=+/- 1/2 当这两个d电子填入d轨道时 占一个d轨道,自旋必反向,Ms=∑ms=0 分占两个不同的d轨道
• 两个电子自旋同向时,Ms=+/- 1 • 两个电子自旋反向时,Ms=0
自由离子的能级状态 continue…
d 轨道能级的分裂 continue…
• 倘若在金属离子周围,有一球形对称的负电荷场,则由于d电子和 负电荷场的相互排斥,会使所有d轨道的能量升高.在这种情况下, 五个d轨道的能量仍保持它们的简并态. • 当配体从不同的方向上,朝着金属离子靠拢,譬如有六个配体分 别从x、-x,y 、-y以及z、-z方向上接近中心金属离子, 形成八 面体配合物(图3.2).这时, 配体必然和沿着x、y和z轴 方向上的dx2-y2和dz2轨道 强烈的作用,使它们的能 量升高.剩下的三个d轨道, 即dxy、dyz和dzx则由于 夹在配体进攻的方向之间, 它们所受的排斥作用较小.
• 弱场和强场的能态一一对应. – 不论八面体场的强度如何,由光 谱项3F分裂而来的3T1g,即 3T1g(F) 永远处于能量最低的状态,表明d2 组态离子在基态总有两个自旋平 行的d电子. – 自由离子的光谱项,即能级状态 在配位体场中分裂以后,自旋多 重态不变.
• 例如,3F分裂而来的A2g,T2g,T1g 仍保持原来的三重态;1D分裂而 来的Eg和T2g仍保持原来的单重 态.
电子吸收光谱
• 溶液中光吸收所依据的基本关系式: Beer定律 I=I0.10-elc lg(I0/I)=elc=A
– 其中:I。为入射光强度
• I为透射光强度 • e为摩尔消光(吸光)系数(单位:dm3 mol-1 cm-1) • l为液层厚度[单位为cm) • c为溶液浓度(单位为Mol • A为光密度或吸光度 * e是物质在某种溶剂中,对某一波长短射吸收能力的标志,它不依赖 于溶液的浓度和液层的厚度.
• 过渡元素的化学比非过渡元素的复杂 • 独特之处: – 易形成配合物 – 大部分化分物有色 – 部分具有顺磁性等. *这些特征几乎都和过渡元素的d或f壳层末充满电子有关. • 外围电子构型可用通式(n-1)d 1-9ns1-2(倘若不考虑镧系和 锕系等内过渡元素) • 过渡元素的化学 ≈ d电子化学.
自由离子的 能级状态 continue…
自由离子的 能级状态 continue…
自由离子的能级状态 continue…
• 由此可见,在不考虑自旋—轨道偶合作用的情况下, d2 电子组态自由离于的能级状态可用光谱项 3F, 3P, 1G, 1D, 1S 表示.
• 各光谱项的简并度(2L+1)X(2S+1):
d 轨道能级的分裂
• d轨道能级在配位体场中的分裂 – 配位化合物的化学键以及其它性质上的特征通常用晶体场或 配位场理论加以解释. – 晶体场理论(CFT)是一种静电作用模型.它把配合物的中心金 属离子和配位体之间的相互作用,看作类似于离子晶体中阴、 阳离子间的静电作用,即相当于离子键的作用,而把共价键 的作用排除在外.
自由离子的能级状态 continue…
• d9组态的光谱项和d1组态的相同,这是因为前者相当于 含一个正电子或一个空穴. 类似地,d8和d3;d7和d2; d6和d4组态的光谱相相同.
自由离子的能级状态 continue…
• 按照Hund规则和Pauli原理,能量最低的光谱项 应具有最高的自旋多重态,即末成对电子数尽 可能的多;当几个光谱项都具有最高的自旋多 重态时,则L值最大的光谱项能量最低。
d 轨道能级的分裂 continue…
d 轨道能级的分裂 continue…
• 对于四面体配合物,四个配体 沿立方体的四个顶角,如图实 心球所表示的方向朝中心金 属离子靠拢.由于配体的微优 作用,原来能量简并的五个d轨 道也分裂成两组.但在这种条 件下,和八面体场的分裂情况 恰好相反,能量较高的是一组 t2轨道,包括dxy、dyz和dzx;能量 较低的是一组e轨道,包括dx2-y2和dz2 . *由于四面体无对称中心,因而无g和u之分.四面体场的分裂能通 常用符号Δt或10Dq来表示.Δt在数值上大约相当于Δ0的4/9.
当离子处于一个非球形对称的势场中例如八面体或四面体势场定性地讲无论从纯粹静电作用的晶体场理论还是从较为复杂的配位场理论的观点来看能级状态还耍分裂或者说大多数光谱项又会进一步发生分裂同时简并度降低
第三章 配位化合物的电子结构
• 轨道能级的分裂
• 轨道能级的分裂对配合物性质的影响 • 十八电子规则
配位化合物的电子结构
• 唯一的d电子处在dxy, dxz, dyz轨道上,体系的能量较低,为 T2g 态.基态. • 唯一的d电子处在dx2-y2, dz2轨道上,体系的能量较高,为Eg 态.激发态.
dn组态离子在配位体场中的能级图 continue…
• 例: d2组态离子 – 比d1组态复杂很多 --- 配位体影响. --- 电子间相互排斥
自由离子的能级状态
• 为了阐明d轨道能级的分裂所产生的过渡金属配合物在物 理、化学性质上的特征,除需了解d轨道在配位体场中的 分裂以外,还必须了解由d电子间的静电排斥所导致的能 级分裂,即自由离子的能级状态.
– 对于第一系列过渡金属,由配位体场或d电子间静电排斥所引起 的能级分裂,大体上处在同一数量级.
– 当八而体场无限强时,能级状态 又变得简单了.这是因为在无限 强场的条件下,电子间的相互排
dn组态离子在配位体场中的能级图 continue…
• Orgel能级图
– 弱场和强场的能态 一一对应 – 在能级图小,某种 能态若只出现—次, 则它随着场强的变 化是直线型的;若 出现两次或两次以 上,则一般呈曲线 型.
• dl电子组态的光谱项2D表示了(2L+1)(2S+1)重简并度, 即(2 × 2+1)(2×1/2+1)=10重简并.同时,自旋二重 态又表明含一个末成对的电子. • d2组态的自由离子,状况复杂得多,因为电子间存在 着静电排斥作用和自旋—轨道偶合作用.在不违背 Pauli不相容原理的前提下,d2组态有45种可能的排布 方式,换句话说,d2组态有45种微态.
dn组态离子在 配位体场中的 能级图continue…
• 不同配体场中的能量 颠倒
电子吸收光谱
• 基木原理 --- 当分子吸收一定能员的电磁辐射,便 能由较低的能态跃迁到较高的能态. 但只有当辐 射的能量和两个能态之间的能量间隔∆E的数值相匹 配时,才能被物质所吸收, 即:
∆E = hv = hc/λ
• 基于上述规则,无须推求dn组态所有可能的光 谱项,就可确定基态---尽可能每个轨道上安置 一个电子.同时,尽可能将电子安排在ml最大 的轨道上.ml值之和为L值, S值为单个电子 占据的轨道数的一半.
自由离子的能级状态 continue…

dn组态离子在配位体场中的能级图
• 当离子处于一个非球形对称的势场中, 例如八面体或四面体势场,定性地讲, 无论从纯粹静电作用的晶体场理论,还 是从较为复杂的配位场理论的观点来看, 能级状态还耍分裂,或者说大多数光谱 项又会进一步发生分裂,同时,简并度 降低.
dn组态离子在配位体场中的能级图 continue…
dn组态离子在配位体场中的能级图 continue…
• 例: d1组态离子
– 无外电场或外磁场 --- 五个d轨道的能量简并, 因而自由离子的能级状态 可用光谱项2D表示. – 八面体场 --- 能级分裂为二重简并的 Eg和三重简并的T2g 态(图).
自由离子的能级状态 continue…
* 无外电场和外磁场的情况时,d1组态自由离子的10种微态的能量是简并的, 用符号“2D”表示,2D称光谱项(term).
自由离子的能级状态 continue…
• 光谱项的—般形式为 2S+1L 其中L用大写字母表示,如 L= 0, 1, 2, 2, 4, 5… S, P, D, F, G, H…
d 轨道能级的分裂 continue…
• 结果,在八面体场小,本来能且简并的五个d轨道分裂成两组.一 组是能量较高的eg轨道, 包括dx2-y2和dz2;另一组是能量较低的
t2g轨道, 包括dxy、dyz和dzx.这两组轨道之间的能量差称为 分裂能. 通常用符号Δ。或10Dq来表示 • 按照重心定理,八面体场中d轨道总的能量仍和处在球形对称的场 中保持不变.这必然导致eg轨道能量上升Δ03/5,而t2g轨道能量下 降Δ02/5
• 不同电子组态自由离子的能级状态,可用光谱项来表 示.
• d1组态的气态过渡金属离子.由于d轨道的角量子数l=2, 角动量在磁场方向的分量只能有(2l+1)个取向,即磁量子 数ml=0, +/- 1, +/- 2。又由于电子的自旋量子数=1/2,决 定了自旋角动量在磁场方向的分量只能有两个取向,即 自旋磁量子数 ms=(+/-) 1/2.
– 配位场理论(LFT)则把晶体场理论和分子轨道理论结合起来, 考虑到中心金属离子和配位体之间存在的某种共价键作用, 同时,结合光谱等实验数据,定量成半定量地估算能级的分 裂状况.
d 轨道能级的分裂 continue…
• CFT和LFT的核心都是:原来能量简并的中心金属离子的五个d轨道 (图)在配体的微扰下,即在配位体场的作用下,能级要发生分裂
自由离子的能级状态 continue…
• dk组态的微态算式:
n(n 1)...(n k 1) k!
– n=2
• 微态数=
– n=3
• 微态数=
自由离子的能级状态 continue…
• 电子间静电排斥引起的d2组 态自由离子能级分裂(图). • 进一步考虑自旋—轨道偶合, 以及外磁场的作用,能级还 会进一步分裂,同时,简并 度下降. • 在外磁场的作用下,45种微 态可完全分裂成非简并态. • 对于第一系列过渡元素,由 自旋-轨道偶合或外磁场的作 用等因素引起的能级分裂, 数值上比由电子相互排斥所 引起的能级分裂小几个数量 级.
– – – – 其中: h为Plank常数 v为辐射的频率 c为真空中的光速 λ为辐射的波长,
电子吸收光谱 continue…
• 分子的转动能态间的能量间 隔很小---微波谱研究转动跃 迁; • 振动能态间的能量间隔较小, 通常用红外光谱来研究振动 跃迁; • 电子能态之间的能量间隔则 较大,需用可见或紫外光谱 来研充电子跃迁.可见及紫 外光谱又称电子光谱或电子 吸收光谱.
自由离子的能级状态 continue…
• 将45种可能的排布方式,重新整理以后,按每 组ML和Ms所包含的微态数列出表格,便可从 中找出相应的光谱项.
– 例:取
即 – 取 即
ML=+/- 4、+/- 3、+/- 2、+/- 1、0 MS=0 L=4、S=0的微态,用光谱项1G表示.
ML=+/- 3、+/- 2、+/- 1、0 MS= +/- 1、0 L=3、S=1的微态,用光谱项3F表示.
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