6.2 配位场理论
1,形成 σ键的络合物
以八面体络合物 ML6( M——第一系列
过渡金属离子)为例,M的价层轨道
有 9个:
? ndxy,ndxz,ndyz,
22 yxnd ? 2znd
S)1n( ?
Px)1n( ? Py)1n( ? Pz)1n( ?
可与配体的 σ
型轨道 形成 σ

可与配体形成 π键
为了满足形成 MO的对称性匹配条件,6
个配位体的 σ轨道先自行组合成 6个群轨
道 (如图所示 )。
金属离子的六个 AO和配体的 6个 σ轨道一
共组成 12个 MO,其中一半是成键 MO,
另一半是反键 MO。而金属离子的三个
t2g轨道( dxy,dyz 和 dxz )因为不能与
配位体的 σ轨道组成 σ- MO,故属 非键
MO。 (如能级图所示 )
前面说过,成键 MO中含有较多成分的低
能级 AO; 反键 MO中含有较多成分的高能
级 AO。 由能级图可见,成键 MO中,配位
体轨道成分较多;反键 MO中,中央离子
轨道成分较多。即 eg* 主要是中央离子轨
道,而 t2g就是中央离子轨道,这两轨道
的能量差为分裂能:
MO理论不象晶体场理论那样只考虑静电
作用,但同样可以得到晶体场理论的重
要结果 ——轨道能级分裂。
Eeg*-Et2g=△ O(10Dq)
σ- π键和羰基络合物的结构
? Cr可以 d2sp3 杂化轨道(指向八面体六
个顶点)接受 CO的 5σ轨道送来的电子
对形成 σ键,如 Cr的填有电子的 d轨道
(如 dxy )与 CO的空的 2π轨道对称性匹配,
可与之形成反馈 π键。如下图所示:
羰基络合物中 CO主要是以端基络合,呈
线型结构。
? 由于 σ-π键的形成,产生两种明显的
效应:
(1)加强了中央金属与配位体的结合,
(因为 M- L之间双重成键,使络合
物更趋稳定);
(2)削弱了配位体内部的结合。
羰基络合物的 18电子规则
? 羰基络合物中,金属原子与多少个 CO
结合,要满足 18电子规则,
金属原子价电子数+ CO提供的电子数
(每个 CO提供一对电子)= 18
例如,Ni,4s23d8价电子数为 10,故可
与 4个 CO形成 Ni(CO)4;
Fe,4s23d6价电子数为 8,故可与 5个 CO
形成 Fe(CO)5;
若中央金属原子价电子数为奇数时,可
通过形成金属原子间键(即多核络合物)
来补足 18电子层结构。
例,Mn,4s23d5价电子数为 7,
(18-7) ÷ 2=5.5,
取 5,剩下的半个由 Mn-Mn键补偿。 形
成 Mn2(CO)10;
习题,Co,4s23d7价电子数为 9形成什么
络合物?
答案,Co2(CO)8
2.分裂后 d轨道中电子的排布 ——
弱场高自旋态和强场低自旋态
? 在金属自由离子中, 五个 d轨道是简并的,
因而电子在 d轨道上的排布是按洪特规则,
尽量分占不同轨道且自旋平行 。
? 现在, d轨道能级产生了分裂, 电子在分
裂后的 d轨道中的排布, 将与分裂能和成
对能的相对大小有关 。
(1) 分裂能和成对能
? 分裂能 ——分裂后 d轨道之间的能级差 。
? 例如:八面体络合物
? 分裂能可借助光谱实验数据推算得到 。
? 例,Ti3+,(d1)
? [Ti(H2O)6]3+,(t2g)1(eg)0
? t2g上这个电子在吸收光子时会发生 d—d跃迁:
(t2g)1(eg)0——→(t 2g)0(eg)1
? 该跃迁的最大吸收在 20300㎝ -1处, 这就是
[Ti(H2O)6]3+的分裂能 。
EE te ggO 2???
★ 分裂能
大多数过渡金属络离子发生的 d—d跃迁,其吸收
光谱常落在可见光区,因而可从紫外 —可见吸收
光谱实验推算得值。八面体络合物大多数分裂能
在 10000㎝ -1~ 30000㎝ -1(相当于 1ev~ 4ev)。
★ 影响分裂能大小的因素:
? A.当中央离子固定时, 分裂能随配位体而变 。
? I-<Br-<Cl-<SCN-<F-<OH-
<… <H2O<… <NH3<… <NO2 -<CN-
? 分裂能因常由光谱实验确定, 故此次序称光
谱化学序列 。 即配位体场强度次序 。
? 分裂能大:强场 。 分裂能小:弱场 。
B.当配位体固定时, 分裂能随中央离子
而变,
a.中央离子电荷越高, 分裂能越大 。
例,[Fe(H2O)6]3+, 10 cm1 3 7 0 0 ???
[Fe(H2O)6]2+, 10 cm1 0 4 0 0 ???
吸收
峰偏
向短
波,
颜色
偏红b.同族, 同价过渡金属离子 d轨道的主量子数越大, 值越大 。
[CrCl6]3— △ O=13600㎝ -1
[MoCl6]3— △ O=19200㎝ -1
C.分裂能 随电子给予体的原子半径的
减小而增大
I< Br< Cl< S< F< O< N< C
可把△值写成两因子的乘积,一个因子
是配位体的贡献,记作 f,另一因子是中
央离子的贡献,记作 g,即
gf ???
例,[Fe(CN)6]3—,f(CN—)=1.7,
1cm2380014007.1 ????? ?
g(Fe3+)=1400㎝ -1
★ 成对能
? 成对能 P,迫使本来自旋平行分占不同
轨道的电子挤到同一轨道上而增高的能
量。
? 成对能包括:
A,Pcoul—— 库仑排斥 ( 迫使两电子占据
同一轨道所需能量 )
B,pex—— 交换能损失 ( 交换能依自旋平
行电子数增加而增大 )
P e xP c o u lP ?? P值由金属离子本性而定
电子在分裂后 d轨道上的排布决定于分裂
能与成对能的相对大小 。
例如,d2组态, 有两种排布方式:
其能量分别为:
PP EEEE
EEEE
b
a
?????
???????
000
000
2)(
2)(
PP EEEE
EEEE
b
a
?????
???????
000
000
2)(
2)(
若△ <P,则取状态 (a),高自旋排布 ——
“弱场高自旋”
若 △ >P, 则取状态 (b),低自旋排布 ——
“强场低自旋,
这种电子排布规律得到络合物磁矩实验
的证实 。
(2)八面体络合物中 d电子的排布
强场情况,低自旋排布
弱场情况:高自旋排布
不管是强场还是弱场, d1,d2,d3,d8,d9,d10的排布方
式都一样 。
而对于 d4,d5,d6,d7四种组态, 其电子排布方式就取
决于配位体是强场还是弱场:
例,Co3+,(d6)在 [CoF6]3-与 [Co(NH3)6]3+中取不
同的电子排布方式:
(3)四面体场的 d电子排布
对同种金属离子, 当处于不同配位场中,
成对能变化不大, 而四面体场的分裂能却
较之八面体场小 。 所以四面体场一
般为弱场, 因而在四面体场中, d电子取
高自旋排布 。
?? ? 094t
络合物的紫外可见光谱和络合物的颜色
? 络合物一般具有颜色, 这可由 d—d跃迁解释 。
如八面体络合物 。
d—d跃迁吸收的能量为 △ O,
即对应的频率就是吸收峰对
应的频率 。
由于络合物的 △ 值在 10000㎝ -1~ 30000㎝ -1。
即, d—d跃迁的吸收频率正落在紫外-可见光
区, 因而观察到多数络合物有颜色 。
当 d轨道全空 (d0)、全满 (d10)、八面体弱场和四
面体场的半充满 (d5)时,d电子不 d-d跃迁,络合
物没有颜色。
至于络合物表现出什么颜色, 则视各种络合物
的值而定 。 因为一般物质呈现的颜色与吸收光
的颜色互为补色 。
例,[Ti(H2O) 6]3+呈紫红色, 原因是发生 d—d跃
迁时吸收了蓝绿光 。
3.晶体场稳定化能 (CFSE,Cristal
Field Stable Energe)
△ 定义, d电子从未分裂的 d轨道(能级为
ES)进入分裂后 d轨道所产生的总能量下降
值。
△ 计算
d6:八面体场 弱场高自旋,(t2g)4(eg)2
? ? DDD qqqC F S E 46244 ???????
强场低自旋,(t2g)6(eg)0
? ? PPC F S E DD qq 224246 ???????
d6:四面体场,必是高自旋, (e)3(t2)3
DDD qqqC F S E 7.210945231094533 ???????????? ?????
可见,八面体络合物的四面体络合物的,
故八面体络合物最常见。
络合物的热力学稳定性
例如第一系列过渡元素二价离子 6水合物
的稳定性可用水化热来衡量 。
水化热, 气态离子溶于水中所产生的热量 。
? ? )(2)( 2622 )( lg OHMOHM ?? ??? H??
因此, 水化热越大, 水合络离子就越稳
定 ( M取为第一系列过渡元素二价离子 )
由实验数据可得下图:
按通常解释应得一条单调上升的平滑曲
线,同一周期的二价金属离子,从
Ca2+→Zn 2+,由于核电荷增加,半径缩小,
分子与间距减小,水化作用就要增大。
若用晶体场稳定化能,则可解释实验事实,
配位体 H2O分子可视为形成弱场,故采取
高自旋态,算得组态的 CFSE如下:
由于,的 CFSE最大, 故表现出水化热为
最大, 位于曲线的两个峰顶 。 另外, 上
述元素三价离子水化热和二价离子卤化
物晶格能变化也有类似的, 双峰曲线, 。
由此归纳出同一周期同价的过渡金属离子,
在弱八面体场作用下, 其高自旋络合物的
热力学稳定性大致有以下次序:
d1< d2 < d3> d4> d5< d6 < d7< d8 > d9> d10
4.络合物的畸变和姜-泰勒效应
( Jahn— Teller )
(1) 络合物的畸变
实验证明, 配位数为 6的络合物并非都是理想
的正八面体构型, 有许多是变了形的八面体 。
例如,d10的络合物,排布方式只有一种。
其构型应是理想的
正八面体 。
对 d9:则有两种排布情况:两个简并的
eg(dx2-y2 和 dz2 ) 轨道上电子配布不均匀 。
1
yx
2
Z
6
g2 )d()d()t( 222 ?(a)
2
yx
1
Z
6
g2 )d()d()t( 222 ?(b)
(a)由于 上比 少一个电子, 减少了
± x和 ± y上四个配位体的推斥力, 使这
四个配位体内移, 缩短与中央离子的距
离, 形成四个较短的键, 于是, 迫使 上
的电子外移, 形成两个较长的键, 得到
拉长了的八面体, 这称为络合物畸变 。
d yx 22? dz2
dz2
(b)由于 上少了一个电子减少对 ± Z方
向两个配位体的推斥力形成两个短键,
四个长键, 得到压扁的八面体 。 而畸变
的结果, 配位体与 上电子推斥力 > 配
位体与 电子的推斥力 。 使 能级上
升, 能级 下降, 原来简并的能级变
为非简并, 称为 姜 ?泰勒效应 。
dz2
dz2
d yx 22?
d yx 22?
dz2
姜-泰勒效应 ( Jahn— Teller )
? 姜-泰勒效应
? 当 t2g或 eg轨道上电子数不同时,就会出
现简并态,配位化合物会发生变形,使
一个轨道能级降低,一个轨道能级升高,
消除简并性。结果能量降低,络合物更
稳定。
? 若在高能的 eg轨道上出现简并态, 则变
形较大, 谓之, 大畸变, ;在低能的轨道
上出现简并态, 则变形较小, 谓之, 小
畸变,
畸变的原因,络合物畸变来源于在简并 d
轨道上, 电子排布不均匀 。
例,[Fe(CN)6]3+和 [Fe(H2O)6]2+是否产生畸
变?
解,[Fe(CN)6]3+,Fe:d5,强场 。 (t2g)5(eg)0,
t2g上电子排布不均匀,产生小畸变。
[Fe(H2O)6]2+, Fe:d5,弱场 。 (t2g)3(eg)2,
t2g,eg上电子排布均匀,不产生畸变。
晶体场理论的限制
? 晶体场理论用 d轨道能级分裂和 CFSE
的产生等基本观点, 解释了不少实验
事实, 特别是对络合物的颜色, 磁性,
立体构型等的说明获得了很大的成功,
但是, 在解释光谱化学序列, 有机烯
络合物的形成, 羰基络合物的稳定性
等, 还显得无能为力 。 需要用络合物
的分子轨道理论说明 。
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