配位化合物分子轨道能级图

第六章配位化合物的结构和性质6.1概述●配位化合物：又称络合物，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。★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。●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。●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。●配位化合物是金属离子最普遍的一种存在形式。●金属离子和不同的配位体结合后，性质不相同，可以进行溶解、沉淀、萃取，以达到合成制备、分离提纯、分析化验等目的。●化学工业上，一些重要的催化剂是配位化合物。1.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，形成的单核配位离子比单个金属离子大（半径增大），使正、负离子间静电引力下降，溶解度增大，不易沉淀，AgCl能溶于氨水，生成银氨络离子。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能与同一金属离子配位。如：PO43-、CO32-等，一个配体与多个金属离子配位，每个金属离子与若干个这样的配位体配位，形成的多核配位化合物，往往是不溶性沉淀，常作沉淀剂。3.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。不带电的单核螯合分子，水中难溶，易溶于有机溶液中，常作萃取络合剂，（如：乙酰丙酮铝Al(acac)3，）带电的单核螯合离子一般很难从水中沉淀出来，这种配位体可作掩蔽剂，如酒石酸盐、EDTA等都是这类掩蔽剂。[Co(EDTA)]-配位螯合离子的结构★右图示出[Co(EDTA)]-配位离子中，一个EDTA螯合配位体和Co3+螯合的情况。（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等都是。★在配位化合物的结构中，一个配位体同时和n个不同的金属原子M配位时，常在配位体前加μn－记号，例如Fe3(CO)10·(μ2－CO)2，表示有2个CO分别同时和2个Fe原子结合。若一个配位体有n个配位点与同一金属原子结合，则在配位体前标上ηn－记号，例如(η5－C5H5)2Fe，表示每个C5H5都有5个配位点和同一个Fe原子结合。2.配位化合物结构理论的发展阐明配位化合物结构的重要理论：●价键理论●晶体场理论●分子轨道理论●配位场理论1.价键理论●价键理论的内容：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。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。●价键理论的作用：★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。●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。配位离子3d4s4p5s杂化轨道几何形状Fe(CN)64-Co(NH3)63+Co(CN)64-Ni(CN)42-FeF63-Ni(NH3)62+d2sp3d2sp3d2sp3dsp2——八面体八面体八面体平面四方八面体八面体配位离子的电子组态和几何构型2.晶体场理论●晶体场理论的内容：把中心离子(M)和配体(L)的相互作用看作类似离子晶体中正负离子的静电作用。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。按微扰理论可计算分裂能的大小，因计算较繁，定性地将配体看作按一定对称性排布的点电荷与M的d轨道电子云产生排斥作用。●在晶体场中d轨道能级分裂，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。222zyxdd，如：八面体配位离子中，6个配位体沿±x，±y，±z坐标接近M，L的负电荷对轨道的电子排斥作用大，使这两轨道能级上升较多，而夹在两坐标之间受到推斥较小，能级上升较少，这样d轨道分裂成两组：能级低的3个d轨道通常用t2g表示；高能级的2个d轨道通常用eg表示。yzxzxyddd，，yzxzxyddd，，222zyxdd，这两组能级间的差值，称为晶体场分裂能，用Δo（或Δ）表示。d电子根据分裂能（Δ）和成对能（P）的相对大小填在这两组轨道上，形成强场低自旋或弱场高自旋结构，以此解释配位化合物的结构、光谱、稳定性及磁性等一系列性质。●晶体场理论的作用和缺陷：★可以成功地解释配位化合物的许多结构和性质；★只按静电作用进行处理，相当于只考虑离子键的作用，出发点过于简单。★难于解释分裂能大小变化次序。如：中性的NH3分子比带电的卤素离子分裂能大，而且CO和CN-等分裂能都特别大，不能用静电场理论解释。3.分子轨道理论●分子轨道理论的内容：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。ML描述配位化合物分子的状态主要是M的价层电子波函数与配体L的分子轨道组成离域分子轨道LLMMcc式中：包括M中(n-1)d，ns，np等价层轨道，可看作是群轨道。MLLc★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●配位场理论内容：是晶体场理论的发展，其实质是配位化合物的分子轨道理论。●配位场理论处理问题的方法：★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。6.2配位场理论1.ML6八面体的分子轨道大多数六配位化合物呈正八面体或变形八面体的结构，如TiF63-，Fe(CN)64-，V(H2O)62+，Co(NH3)63+，Ni(H2O)62+。在ML6正八面体配位化合物中，M原子处在对称中心的位置，呈Oh点群对称性。中心原子轨道及配体的群轨道设中心原子M处在直角坐标系原点，6个配位体位于坐标轴上。按M和L组成的分子轨道是σ轨道还是π轨道，将M的轨道进行分组，得：配位体L按能与中心原子生成σ键或π键轨道分别组合成新的群轨道，使与M的原子轨道对称性匹配。xzyzxyzyxzyxdddddppps，，，，，，，::222设处在x，y，z3个正向的L的σ轨道分别是σ1、σ2、σ3，负向的σ4、σ5、σ6。这些轨道组成和中心原子σ轨道对称性匹配的群轨道（如下表）。而中心原子的各个轨道以及和它对称性匹配的配位体群轨道的图形如上图。由于M的dxy，dyz，dxy轨道的极大值方向正好和L的σ轨道错开，基本不受影响，是非键轨道。M的6个轨道和6个配位体轨道组合得到12个离域分子轨道，一半为成键轨道，一半为反键轨道。M223yxdMLc4s4px4py4pz3dxy3dxy3dyz23zd)(61654321)22(321542163)(2141)(215421)(2152)(2163表示a1g，a*1geg，e*gt1u，t*1ut2gML6八面体场的分子轨道MML66Lnpns(n-1)dt*1ua*ge*gΔot2gegt1ua1gσ配位化合物分子轨道能级图因L电负性较高而能级低，电子进入成键轨道，相当于配键。M的电子安排在t2g和e*g轨道上。这样，3个非键轨道t2g与2个反键轨道e*g所形成的5个轨道，提供安排中心金属离子的d电子。把5个轨道分成两组：3个低的t2g，2个高的e*g。t2g和e*g间的能级间隔称为分裂能Δo，它和晶体场理论中t2g和eg间的Δo相当。2.八面体场的分裂能Δo●八面体场的分裂能Δo的大小随不同的配位体和中心原子的性质而异。●根据光谱数据可测得分裂能Δo的数值，并可得下面的经验规则：(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－上面的中性CO是强配体，原因在于π键的形成是影响分裂能大小的重要因素，dxy，dyz，dxz等t2g轨道虽不能和配位体L形成σ键，但条件合适时可形成π键。CO和CN－通过分子的π*轨道和M的t2g轨道形成π键，扩大了Δo，是强场配位体。图左边表示轨道叠加，由有电子的d轨道向空轨道提供电子，形成配键。右边表示能级图。eg*t2g*eg*t2gt2gΔoΔoπ*MMLL强场配位体扩大了Δoeg*eg*ΔoΔot2gt2gt2g*pMMLLCl－、F－等的p轨道和M的d轨道形成π键，缩小了Δo，是弱场配体。图左边表示轨道叠加，由有电子的轨道向空轨道提供电子，形成配键。右边表示能级图。★只看配位体L中直接配位的单个原子，Δo值随原子序数增大而减少，次序为：C＞N＞O＞F＞S＞Cl＞Br＞I(2)对一定的配位体，Δo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+★中心离子的价态对Δo影响很大，价态高，Δo大。例如Mn2+对H2O的Δo值为7800cm-1，而Mn3+为21000cm-1。★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。例如：Co(NH3)63+为23000cm-1，Rh(NH3)63+为34000cm-1，Ir(NH3)63+为41000cm-1。弱场配位体缩小了Δof值g值（单位：1000cm-1）Br－0.72C2O42－0.99Mn2+8.0Ru2+20SCN－0.73H2O1.00Ni2+8.7Mn4+23Cl－0.78NCS－1.02Co2+9Mo3+24.6F－0.9py1.23V2+12.0Rh3+27.0尿素0.92NH31.25Fe3+14.0Tc4+30HAc0.94en1.28Cr3+17.4Ir3+32乙醇0.97CN－1.7Co3+18.2Pt4+36八面体场的f值和g值(3)Δo值可分为配位体的贡献（f）和中心离子的贡献（g）的乘积。即：Δo=f×gJÖrgensen给出八面体场的f和g的数值如下表。习题P325:1,3,43.配位场稳定化能与配位化合物的性质若选取t2g和e*g能级的权重平均值作为能级的零点，即2E(e*g)+3E(t2g)=0而E(e*g)-E(t2g)=Δo由此，可得e*g的能级为0.6Δo，t2g的能级为–0.4Δo。这个能级零点也就作为中心离子M处在球形场中未分裂的d轨道的能级。●配位场稳定化能(LFSE－LigandFieldStabilifiedEnergy)：配位化合物中d电子填入上述的轨道后，若不考虑成对能，能级降低的总值称为LFSE。★LFSE不同，配位化合物的性质不同。01234567891000.40.81.20.600.40.81.20.6000.40.81.21.62.02.41.81.20.60HS（弱场）LS（强场）d电子数目t2ge*gLFSEt2ge*gLFSE不同电子组态的LFSE的数值（Δo）00.40.81.21.622.42.8012345678910n-Δ不同电子组态的LFSE值强场弱场1.离子水化热和M