第四章 配位场理论

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★能简明解释配位化合物几何构型和磁性等性质; ★可以解释Co(CN)64-存在高能态电子,非常容易被 氧化,是很强的还原剂,能把水中的H+还原为H2。
(3)价键理论的缺点:
价键理论是定性理论,没有提到反键轨道,不 涉及激发态,不能满意地解释配位化合物的光谱数 据,不能满意说明有些化合物的磁性、几何构型和 稳定性。
[Fe(H2O)6]2+: CFSE= [4×4 – 6(6-4)]Dq=4Dq
[Fe(CN)6]4 – : CFSE=6×4Dq-2P=24 Dq-2P
3、络合物稳定性与CFSE的关系
(1)构型相同d电子数不同 的络合物的稳定性
(2)不同构型络合物的稳定性
对同一dn组态: CFSE(八面体) > CFSE(四面体) 故八面体络合物比四面体络合物更稳定常见,只有 在d0 ,d5 ,d10弱场时,可能形成稳定的四面体络 合物。
小畸变
大 畸变
高自旋 t2g1 ;t2g2;t2g4eg2;t2g5eg2
t2g3eg1;t2g6eg3
低 自旋 t2g1;t2g2;t2g4;t2g5
t2g6eg1 ;t2g6eg3
第三节 一些配合物结构
一.σ键配合物的结构 中心金属原子M(通常是过渡金属)和若 干个配位体(L)形成的化合物称配位化合 物MLn。 中心金属原子提供空的价轨道,配体提 供孤对电子,形成σ配键。六个配体一般呈 八面体或变形八面体的结构,中心离子价 轨 匹道配作的配d2体sp群3杂轨化道(形d成x2σ-y键2,d。z2)与对称性
例如: ★ Fe(CN)64-、Co(NH3)63+、Co(CN)64-、Ni(CN)42-等呈现反磁
性和弱磁性是由于中心离子有未充满的d轨道和 s,p 空轨道, 这些空轨道通过杂化组成杂化轨道,由配位体提供孤对电子, 形成L→ M的σ 配键; ★ FeF63-、CoF63-等的磁性表明,中心离子的未成对电子数目 和自由离子一样,认为金属离子和配位体以静电吸引力结合。
2、络合物的畸变
▪ 八面体发生畸变的d电子构型,八面体d轨道分裂 为高能的二重简并eg( dZ2 ,dx2y2)和低能的三重简并的 t2g(dxy ,dxz dyz ),若d电子在t2g上分布不均匀 (不对称)则变形性较小,即小畸变;若在eg上分 布不对称,则变形性较大,即发生大畸变。
八面体 畸变
二.金属羰基配合物——σ-π配键
▪ 在羰基配合物中,配体CO以C的孤对电子与金属 的空d轨道形成σ配键,金属的d轨道上电子再反馈 到CO的π*轨道上形成反馈π键,两种作用结合起 来,称为σ-π授受键,使金属与碳之间的键比单键 强,C-O间键比CO分子中要弱,因为反键π*轨道 上也有一些电子。
三.烯烃配位化合物
t2g,能级差为 。电子的排布为:
▪ 对于d1, d2, d3 , d8 , d9 , d10无论是强场还是弱场电子排布 都一样,只有一种方式,没有高低自旋之分。
▪ 而d4, d5, d6 , d7有二种排布方式,即强场低自旋,若场高 自旋:
电子组态 当 > P 当 < P
d4 t2g4 t2g3eg1
▪ [PtCl3(C2H4)]—的结构
Pt2+按平面正方形和4个 配体成键,其中3个Cl—。 1形个相C互2H垂4直的,分它子的轴π与轨四道方 象孤对电子一样,向金属 Pt2+提供电荷,形成侧面 σ配键,而Pt2+再以占据 的重迭d轨,道形与成C反2H馈2的π*π键*反。键
▪ 四面体场: CFSE= [2.67n – 1.78(N-n)]Dq
其中:N:d电子总数,n:低能轨道上的电子数,m:强场迫 使电子对增加的数。
例题:计算[Fe(H2O)6]2+和[Fe(CN)6]4 – 络合物 的稳定化能
解:由配位数6可知两络合物为八面体构型,从光谱 化 学 序 列 可 知 : H2O 为 弱 场 , CN- 为 强 场 , 故 [Fe(H2O)6]2+中Fe2+ 的d6为高自旋态,即t2g4eg2; [Fe(CN)6]4 – 中 Fe2+ 的 d6 为 低 自 旋 态 , 即 t2g6eg0 (增加2对电子)。
配位离子的电子组态和几何构型
配位离子 Fe(CN)64-
3d
Co(NH3)63+
Co(CN)64-
Ni(CN)42FeF63Ni(NH3)62+
4s 4p 5s
杂化轨道 几何形状
d2sp3 d2sp3
八面体 八面体
d2sp3
八面体
dsp2
平面四方
sp3d2’ sp3d2
八面体 八面体
(2)价键理论的作用:
(2)成对能:
▪ 指本来是自旋平兴奋占两个轨道的电子挤 到同一轨道上自旋相反,能量增高,这增 高的能量称为成对能,用P表示,P越小, 电子越容易成对。
2.高自旋态和低自旋态
当 < P 弱场 高自旋态,即分占各个轨道 当 > P 强场 低自旋态,即尽可能占低能轨道 (1)八面体场:d轨道分裂为高能的eg和低能的
1、定义:d电子从未分裂的d轨道Es能级进入 分裂的d轨道时,所产生的总能量下降值, 称为晶体场稳定化能,用CFSE表示。CFSE 越大,络合物越稳定,故CFSE是衡量络合 物稳定性的因素。
2、CFSE的计算:
▪ 八面体强场: CFSE= [4n – 6(N-n)]Dq-mP
▪ 八面体弱场: CFSE= [4n – 6(N-n)]Dq
第二节 晶体场理论
一、晶体场理论的基本要点
(1)络合物中心离子(M)和配位体(L)的相互作用 看作类似离子晶体中正负离子的静电作用。
(2)当L接近M时,M中的d轨道受到L负电荷的 静电微扰作用,使原来能级简并的d轨道发生分 裂,分裂方式取决于L静电场的对称性。
(3)d电子重新排布在分裂后的d轨道能级中,使 体系的总能量下降,络合物更加稳定。而引起电 子排布及其他一系列性质的变化,据此可解释配 位化合物的各种性质。
二、中心离子d轨道能级分裂
5个d轨道在空间的伸展方向:
1.八面体场(Oh场)
(1)M和L的空间位置
(2)d轨道分裂
当6个配体L沿x ,y , z 方向接近M时,dZ2 ,dx2y2 的电子云极大值正好与配体迎头碰上,受到的排 斥力较大,使轨道的能量升高,比五个简并d轨 道在球形对称场的能量Es还高,而dxy ,dxz , dyz 的电 子云极大值方向正插在配体空隙中,故受到的斥 力较小,轨道的能量低于Es ,这样在八面体场中 五个能量简并得d轨道分裂为两组:
cMM cLL
式中:ΨM包括M中(n-1)d,ns,np等价层轨道, ΣcLΨL可看作是群轨道。
有效形成分子轨道要满足:对称性匹配,轨道最 大重叠,能级高低相近。
4、配位场理论
▪ 在处理中心金属原子在其周围配位体所产 生的电场作用下,金属原子轨道能级发生 变化时,以分子轨道理论方法为主,根据 配位体场的对称性进行简化,并吸收晶体 场理论的成果,阐明配位化合物的结构和 性质。
能与同一金属离子配位。如:PO43-,CO323. 螯合配位体:一个配位体的几个配位点能直接和同一个金属离
子配位。如:EDTA, 4. 键配位体:含有π 电子的烯烃、炔烃、芳香烃等也可作配体。
如:C2H4、丁二烯、CO、C6H6、C5H5
三、配位化合物结构理论的发展
1、价键理论
(1)基本内容:
根据配位化合物的性质,按杂化轨道理论用共价配键和电 价配键解释配位化合物中金属离子和配体间的结合力。
3 Ee 5 T 2.67Dq
2 Et2 5 t 1.78Dq
3. 平面正方形场( D4h )
dx2-y2
dxy
dz2
x
y
x
y
dxz, dyz
dx2-y2
dxy
D4h场
5 个 d 轨道在不同配位场中能级分裂情况的示意图:
三、d轨道中电子的排布
——高自旋态和低自旋态
1.分裂能和成对能 (1)分裂能:当一个电子由低能的d轨道进入高能d轨道时 所需要的能量,用表示。
第四章 配位化合物 的结构和性质
源自文库
教学要求:
1、掌握晶体场中d轨道能级分裂,d轨道中 电子的排布—高自旋态和低自旋态,晶体 场稳定化能的计算,能利用姜——泰勒效 应分析和解决问题。
2、 掌握羰基络合物和氮分子络合物的结构 特点。
第一节 概 述
络合物:又称配位化合物,是一类含有中心金属原子 (M)和若干配位体(L)的化合物(MLn )。 ★中心原子M通常是过渡金属元素的原子(或离子), 具有空的价轨道。
五、络合物畸变和姜—泰勒(JahnTeller)效应
▪ 1、姜—泰勒(Jahn-Teller)效应
在对称的非线性分子中,如果体系的几态 有几个简并能级则是不稳定的,体系一定要 发生畸变,使一个能级降低,以消除这种简 并性。
▪ 姜—泰勒(Jahn-Teller)效应实际就是由 于中心离子d电子分布不对称,引起络合物 构型变化的现象。
2、晶体场理论:
晶体场理论是静电作用模型,把中心离子M与配体 L相互作用,看作类似离子晶体中正负离子的静电作用。 中心离子d轨道受配体的作用,用微扰理论处理,可计 算d轨道分裂能大小。 晶体场理论的作用和缺陷: (1)可以成功地解释配位化合物的许多结构和性质; (2)只按静电作用进行处理,相当于只考虑离子键的
★配位体L则有一对或一对以上孤对电子。
★ M和L之间通过配位键结合,成为带电的配位离子, 配位离子与荷异性电荷的离子结合,形成配位化合物。
★有时中心原子和配位体直接结合成不带电的中性配 位化合物分子。
一、络合物的类型
▪ 单核配位化合物:一个配位化合物分子(或离 子)中只含有一个中心原子。
▪ 多核配位化合物:含两个或两个以上中心原子。
2
Et2g 5 0 4Dq
2.正四面体场(Td场)
(1)M和L的空间位置和d轨道分裂
(2)分裂能t
▪ 分裂能t : 由于Oh场为6配位体场,Td场为4配位 体场;再Oh场中eg轨道直接指向L,而Td场中轨道 均未指向配体,故o t ,计算表明:
44 t Et2 Ee 9 0 9 10Dq 3Et2 2Ee 0
d5 t2g5 t2g3eg2
d6 t2g6 t2g4eg2
d7 t2g6eg1 t2g5eg2
(2) 正四面体场
由于其分裂能t小,故一般t < P ,因而正 四面体场络合物各种dn 离子均采用弱场高 自旋电子排布。
(3)平面正方形场
由于分裂能较大,故采取低自旋态电子排布
四、晶体场稳定化能(CFSE)
作用,出发点过于简单; (3)难于解释分裂能大小变化次序。 如C:O中和性C的N-N等H分3分裂子能比都带特电别的大卤,素不离能子用分静裂电能场大理,论而解且释。
3. 分子轨道理论
用分子轨道理论的观点和方法处理金属离子和配位 体的成键作用。 描述配位化合物分子的状态主要是M 的价层电子波函数 ΨM与配体L的分子轨道 ΨL组成离 域分子轨道:
值的大小与L ,M有关,由实验结果和理论研究得到下 列规律: ①对同一种金属原子(M),不同配体的分裂能大小次序为: CO,CN->NO22->en>NH3>py>H2O>F->OH->
Cl->Br- 称为光谱化学序列,即配位场强度顺序,与M无关。 ②对一定的配位体, Δ值随M不同而异,其大小的次序为: Pt4+>Ir3+>Pd4+>Rh3+>Mo3+>Ru3+>Co3+>Cr3+ >Fe3+>V2+ >Co2+>Ni2+ > Mn2+ a.中心离子的价态对Δ影响很大,价态高, Δ越大。 b.中心离子所处的周期数也影响Δo值。第二、第三系列过 渡金属离子的Δo值均比同族第一系列过渡金属离子大。
eg轨道:dZ2 d , x2y2 t2g轨道:dxy dxz dyz
(3)分裂能
分裂能:eg和t2g的能级差称为晶体场分裂能用o或 10Dq表示,即
Eeg Et2g 0 10Dq
以Es为零点则: 2Eeg 3Et2g 0
解之得:
3
Eeg 5 0 6Dq
▪ 金属原子簇化合物:在多核配位化合物中,若 M—M之间有键合称为金属原子簇化合物。
二、配位体
●每个配位体至少有一个原子具有一对(或多对)孤对电子,或
分子中有π 电子。如,N、O、C、P、S、Cl、F等。
● 根据配位体所提供的络合点数目和结构特征,可将配体分成以 下几类:
1.单啮配位体:只有一个配位点的配体。如:NH3 2. 非螯合多啮配位体:配体有多个配位点,但受几何形状限制不
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