配合物的化学键理论
第二章 配合物的化学键理论

第二章配合物的化学键理论配合物的化学键理论:中心离子与配位体之间的化学键。
第一节配合物的静电理论静电理论的基本观点:认为中心离子是带正电荷的粒子,而配位体是带负电荷的粒子,配合物中的配位键是由单纯的静电相互吸引而形成的,形成配合物的结合能有两项:1 配体与中心离子的吸引能2 配体与配体之间的排斥能U结合=U吸引+U排斥有一些现象不能很好解释:配体一定时,半径相近的金属离子与之形成的配合物的稳定性应相近。
如Na b半径为0.95, Cu+半径为0.96形成的配合物的稳定性却相差很大改进的静电理论:静电极化理论,即中心离子和配位体在静电的作用下,相互会产生变形,中心离子的正电荷可吸引配体的电子,而配体的负电荷则排斥中心离子的电子。
1 自己变形两方面的作用2 使对方变形Na b , K+ , Mg2+ , Ca2+等离子,具有8电子结构,极化弱,因而与配体配位时,变形小Cu2+,Ag+ , Zn2+ , Cd2+等离子,具有18电子结构,极化强,与配体配位时,变形大规则:中心离子具有较强的极化作用或变形性强,与变形性强的配位体配位时,形成的配合物稳定静电理论的评价:提出较早,对早期的配合物的化学键理论有贡献。
不足之处:1 不能解释象Ni(CO)4这样的配合物2 不能解释配合物的磁性和光谱第二节价键理论Sidywich 的配键理论主要的价键理论 Pauling 的电价和共价配位理论 Taube 的内轨和外轨理论主要介绍的价键理论的内容:1 Pauling 提出的杂化轨道理论 2 Taube 提出的内轨和外轨理论 IIIB IVB VB VIB VIIB VB IB IIB Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn 3d 1 4S 2 3d 2 4S 2 3d 3 4S 2 3d 5 4S 1 3d 5 4S 2 3d 6 4S 2 3d 7 4S 2 3d 8 4S 2 3d 94S 13d 10 4S 2Pauling 杂化轨道理论,用于处理配合物的形成其基本假设:中心离子,主要指过渡金属离子的价电子层中能量相近的(n-1)d, ns, np 或nd 轨道杂化后,形成能量等同的杂化轨道,接受配体的孤对电子而形成配合物,Pauling 称这种成键方式形成的为共价配合物。
第9章 9.7配合物的化学键理论

F-, H2O, OH-
常形成外轨型配离子 ( 因配位原子F, O电负性高)
配 CN-, CO
常形成内轨型配离子
体
(C的电负性较低,易给出孤对电子)
NH3, Cl-
内, 外轨型配离子均可形成 ( 由中心离子决定)
4、内轨型和外轨型配合物的稳定性和磁性
1)稳定性(解离程度)
一般来说 , 内轨型配 离子比外轨型配离子稳 定,解离程度小。
常见的轨道杂化类型与配合物几何构型的对应关系
杂化类型 配位数 几何构型
实例
spp ssp2 spp33 dspp22 dspp33 sp33dd22 d22sp33
2
直线型
[Ag(NH3)2]+,[Cu(NH3)2]+
3 平面正三角形
[ CuCl3]-
4
正四面体
[Ni(NH3)4]2+,[Zn(NH3)4]2+
4
正方形
[Cu(NH3)4]2+,[Ni(CN)4]2-
5
三角双锥
[Fe(CO)5]
6
正八面体
[FeF6]3-,[Co(NH3)6]2+
6
正八面体
[Fe(CN)6]3-,[Co(NH3)6]3+
sp, sp2, sp3, sp3d2杂化 形成外轨型配合物
dsp2,dsp3,d2sp3杂化 形成内轨型配合物
正八面体
配体 中心离子
三角双锥
[Zn(NH3)4]2+是正四面体
Zn2+
Fe3+
[FeF6]3-是正八面体
Ni2+
[Ni(CN)4]2-是正方形
Ni2+
F e
配合物的化学键理论

dxy
dyz
2/5Δt
dxz
t2
3/5Δt
Δt=(4/9)Δ0 e
dx2-y2
dz2
由于正四面体场中的e轨道和t轨道都 不象正八面体场中那样直接指向配体,所 以它们受到配体的排斥作用没有在正八面 体场中受到的排斥作用大。 根据计算,在配体及中心离子都相同,并 且配体与中心离子的距离和八面体相等的 条件下:
e 0.58e e - 3 3 1.26 r r r
2
2
2
当n=6, q=2时, 配离子的生成能为:
2e 1.66e e - 6 6 2.04 r r r
2
2
2
表2-1 配离子生成能(-e2/r) q n 1 2 3 4(四面体) 4(平面正方形) 5 6 7 8 1 1.00 1.50 1.25 0.32 0.16 2 2.00 3.50 4.26 4.32 4.16 3.10 2.04 3 3.00 5.50 7.26 8.32 8.16 8.10 8.04 6.02 4.24 4 4.00 7.50 10.26 12.32 12.Байду номын сангаас6 13.10 14.04 13.02 12.24
eg t2g eg
t2g
1. 成对能(P)
定义:当一个轨道中已有一个电子时,它对第二个 电子的引入有其排斥作用。因此需要一定的能量克 服这种排斥才能引入第二个电子与之成对,所需要 的能量称为成对能。 2.高自旋配合物和低自旋配合物
当Δ<P时,Δ较小为 弱场配体,形成高 自旋配合物。 当Δ>P时,Δ较大为 强场配体,形成低 自旋配合物。
dxy轨道其 极大值方 向与x轴和 y轴成45°, 故其能量 低于dx2-y2 轨道
配位化学-配合物的化学键理论

3d
4s
4p
xx xx xx
sp2 平面三角形
1
2017-9-12
例3: [Co(NCS)4]23d
Co2+ 3d7
4s
4p
xx xx xx xx
sp3 四面体
例4:[Ni(CN)4]2- Ni2+: 3d8
3d
4s
4p
电子归并, 杂化
xx xx xx xx dsp2
平面正方形
问题:什么情况下,内层d电子归并?
d. 价键理论不能解释配合物的颜色及吸收光谱。
e. 对非经典配合物无法解释。
3
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第二节 晶体场理论 1929年由Bethe提出
基本思想:
50年代以后得到发展
中心原子 静电作用
配体
①
具有电子结构
无电子结构 静电场
的离子
② 在配体静电场作用下,中心原子原来简并的5个d轨道能
级发生分裂,分裂能量的大小与空间构型及配体、中心原子 的性质有关。
2017-9-12
第三章 配合物的化学键理论
主要内容: 1. 价键理论(Valence Bond Theory) 2. 晶体场理论(Crystal Field Theory) 3. 配位场理论(Ligand Field Theory) 4. 分子轨道理论(Molecular Orbital Theory)
的排斥作用相对较小,能量降低。 dxz
eg (dx2—y2、dz2)
o
d
自由金属离子 球形场
t2g (dxy、dyz、dxz)
八面体场
d轨道在八面体场中的分裂
o:(1)由电子光谱得到;(2)由量子力学微扰理
第四章 配位键和配位化合物第二节 配合物的化学键理论

中心离子的氧化数相同,随半径增大,d电子离核越远,受晶体场 的影响越大,分裂能越大。如
[CrCl6]3- △○=162.7kJ.mol-1 [MoCl6]3- △○=229.7kJ.mol-1
2023/2/19
20
型
数
dxy
dyz
dxz
Dx2-y2
dz2
△
正八面体 6 -4.00 -4.00 -4.00 6.00 6.00 10.00
正四面体 4 1.78 1.78 1.78 -2.67 -2.67 4.45
平面正方 4 2.28 -5.14 -5.14 12.28 -4.28 17.42
直线
2 -6.28 1.14 1.14 -6.28 10.28 16.56
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9
●内轨型配合物
——定义 中心离子以部分次外层轨道((n-1)d轨道)与外层轨 道(ns、np轨道)杂化,再与配体成键 ——特点
•配体对中心离子影响大 •d轨道电子排布发生了变化,未成对电子数减小,磁性减小 •配位键稳定性强,键的共价性较强,水溶液中较难离解为简 单离子 ——示例 [Ni(CN)4]2-、[Fe(CN)6]3-、Fe(CO)5、[Cr(H2O)6]3+
4d
5s
5p
sp杂化
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3
(2)配位数为4的配合物 有两种构型。例,Ni2+
3d
4s
4p
●四面体构型 例,[Ni(NH3)4]2+。sp3杂化
3d
4s
4p
sp3杂化 ●平面正方形构型 例,[Ni(CN)4]2-,dsp2杂化,方向指向平面正 方形的四个顶点,Ni2+位于中心,4个CN-分占4个角顶
配合物的化学键理论

12
根据这个结构, 可以推测 Cu2+的配合物应当很容易地失去未配对的4p电子而迅速氧化为Cu3+, 但事实并非如 此。
因此, 价键理论有其局限性。它被配位场理论或分子轨道理论取代是必然的。
13
4.2 晶体场理论 1929年由Bethe提出, 30年代中期为Van Vleck等所发展, 及Puling的价键理论处于同一时代, 但当时并未引起
17
由于电子的总能量, 亦即各轨道总能量保持不变, eg能量的升高总值必然等于t2g轨道能量下降的总值, 这就是所谓的重 心守恒原理(原来简并的轨道在外电场作用下如果发生分裂, 则分裂后所有轨道的能量改变值的代数和为零)。
将eg和t2g这两组轨道间的能量差用△o或10Dq来表示, △o或10 Dq称为分裂能, 根据重心守恒原理, 则
的伸展较3d轨道远, 5d轨道在空间的伸展又比4d轨道远, 因而易受到配体场的强烈作用。
27
(4) 配体的本性 将一些常见配体按光谱实验测得的分裂能从小到大次序排列起来, 便得光谱化学序:
这个化学序代表了配位场的强度顺序。由此顺序可见:对同一金属离子, 造成△值最大的是CN-离子, 最小的是I -离子, 通常把CN-、NO2-等离子称作强场配体, I-、Br-、F-离子称为弱场配体。
优点:能够说明一些配合物的配位数、几何构型和稳定性。 缺点:将中心原子和配体都看作是没有内部结构的点电荷——离子键,不能说明配合物的磁学性质和光学性质。
3
➢价键理论 Sidgwick(1923)和Pauling(1928)提出了配位共价键模型,考虑了中心原子和配体的结构,能较好地说明许多配
合物的配位数、几何构型、磁性质和一些反应活性等问题。
显然, 配合物的配位数就是中心原子在成键时动用的空轨道数。
配合物的化学键理论

杂化
轨道 sp3d2 d2sp3
sp3
dsp2
配键 类型 外轨型 内轨型
外轨型
内轨型
Kf 1014
稳定性
<
1042
107. 96
1031. 3
<
磁性
Ni2+的d电子构型 杂化轨道 配键类型
未成对电子数 磁性
[Ni(NH3)4]2+ [Ni(CN)4]2 d8
sp3 外轨型
dsp2 内轨型
2 顺磁性
弱场配体
强场配体
——以上称为光谱化学序列
4. 电子成对能和配合物高、低自旋
电子在分裂后轨道上的分布遵循: 能量最低原理和洪特规则
如 Cr3+ d3
eg
E t2g
八面体场
d4d7构型的离子, d电子分布有高、低自旋两种方式。
如 Cr2+ d4
[Cr(H2O)6]2+
eg
△o t2g
[Cr(CN)6]4-
中心离子和配体之间以静电引力相互作用而形 成化学键。
中心离子的5个能量相同的d轨道受配体负电场 的排斥作用,发生能级分裂(有的轨道能量升 高,有的能量降低)。
2. 正八面体场中d轨道的能级分裂
无外电场作用下的d轨道 Edxy= Edxz= Edyz= Edx2-y2= Edz2
在带负电荷均匀球形场的作用下,d轨道能量 均升高相同值,能级不发生分裂。
请问: [Zn(NH3)4]2+、 [Ag(NH3)2]+呈现什么颜色?
中心离子d 轨道全空(d0)或全满(d10), 不能发生 d-d跃迁,其水合离子为无色。
解释配合物的稳定性
Eeg=+0.
配合物化学键理论

强场:o > P 弱场:o < P
d5 型
强场o > P
弱场o < P
(4) 影响CFSE的因素 ① d电子数目; ② 配位体的强弱; ③ 晶体场的类型
表1 过渡金属络离子的稳定化能(CFSE)
弱场CFSE/Dq
dn d0 离子 Ca2+,Sc3+ 正方型 0 正八面体 0 正四面 体 0 正方型 0
中心离子用外层(n-1)d,ns,np杂化轨道与电负性 较小的配位原子,如CN-、NO2-等形成内轨型配合 物。例如[Fe(CN)6]3-配离子,Fe采用d2sp3内轨型 杂化轨道,配合物的键能大,稳定,在水中不易 离解。
(3)内、外轨型配合物的测定---磁矩
由磁矩可判断内轨或外轨型配合物
s n—分子中未成对电子数
z
y
x
x
dz2
y z
dx2-y2
z
x
x
y
dxy
dxz
dyz
1.分裂能 (1)分裂能与配合物几何构型的关系
八面体型的配合物
在八面体型的配合物中,6个配位体分别占据八 面体的6个顶点,由此产生的静电场叫做八面体场。
(1)八面体场
八面体场中d轨道能级分裂
dz2 dx2-y2 eg 3 5 Δo =6Dq Δ o =10Dq 2 5 Δ o = 4Dq t2g dxy dxz dyz
[CrCl6]313600
[MoCl6]319200
分裂能与配位体的关系:光谱化学序列
[CoF6]3- [Co(H2O)6]3+ [Co(NH3)6]3+ o/cm-1 13000 18600 22900 [Co(CN)6]334000
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μ= 0
n=0
05.12.2020
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7
[NiCl4]2-的空间构型为四面体,μ=2.83B.M.
28Ni:3d84s2
μ= 2.83
n=2
05.12.2020
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8
6配位的配合物绝大多数是八面体构型,形成体可
能采取d2sp3或sp3d2杂化轨道成键。
26Fe:3d64s2
eg t2g eg t2g d7
eg
eg
t2g
t2g
d 教学ppt 7
eg
o < P
t2g 弱场
强场低自旋
弱场高自旋
23
4. 晶体场稳定化能与Jahn-Teller 效应
在八面体场和四面体场中d轨道的分裂情况不同,且 Δ值也不同
05.12.2020
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2. 配合物的颜色
所吸收光子的频率与 分裂能大小有关
颜色的深浅与跃迁电 子数目有关
05.12.2020
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3.d电子的排布与配合物的磁性
电子成对能(p):当中心离子的一个d轨 道中已有一个电子,另一个电子继续进入 与之配对时,必须克服电子间的相互排斥 作用,所需之能量叫做电子成对能 如果o < p (弱场), 高自旋,磁矩较大 如果o > p(强场), 低自旋,磁矩较小
[Fe(H2O)6]3+ [Fe(H2O)6]2+
o /cm-1 13700
10400
[CrCl6]3-
[MoCl6]3-
o /cm-1 13600
19200
电荷Z增大, o增大 主量子数n增大, o增大
05.12.2020
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15
(2)配位体的影响:光谱化学序列
[CoF6]3- [Co(H2O)6]3+ [Co(NH3)6]3+ [Co(CN)6]3-
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2
思考题2
利用光谱化学序列和磁矩数据确定下列配合 物的配体哪些是强场配体,哪些是弱场配体? 并确定d电子的排布及未成对电子数。
[Co(NO2)6]3- = 0 B.M. [Fe(NH3)6]2+ = 5.2 B.M.
[Fe(CN)6]3[FeF6]3-
05.12.2020
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3
思考题3
晶体场理论要点
在配合物中,中心离子M处于带负电荷的配体L形成 的静电场中,二者完全靠静电作用结合在一起
晶体场对M的d 电子产生排斥作用,使M的d 轨道发 生能级分裂,有些d轨道能量升高,有些则降低
在空间构型不同的配合物中,配体形成不同的晶体 场,对中心离子d轨道的影响也不相同
05.12.2020
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已知Co3+的p=17800cm-1,Co3+与下列配体
形成配合物的∆为:
∆/cm-1
F13000
H2O 18600
NH3 23000
试回答:
(1)Co3+的d电子在这些配合物中的排布情况
以及这些配合物的类型和磁矩。
(2)计算这些配合物的晶体场稳定化能。
05.12.2020
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4
3.1 价键理论(VBT)
05.12.2020
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21
八面体场中d电子的排布
eg
eg
t2g
t2g
d1
d2
eg t2g
d3
eg t2g d10
05.12.2020
eg t2g
d9
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eg t2g d8
22
八面体场中d电子的排布
o > P 强场
ห้องสมุดไป่ตู้
d4 eg t2g
d5 eg
t2g
d6 eg
t2g
o < P 弱场
o > P 强场
价键理论要点
中心原子M和配体L间的结合是由M提供空轨 道,L提供孤电子对形成配位键
M提供的空轨道必须进行杂化,杂化轨道的 类型决定配离子的空间构型和稳定性
05.12.2020
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5
杂化轨道的类型与空间构型
配位数 杂化轨道
2
sp
3
sp2
sp3 4
dsp2
dsp3 5
d2sp2
d2sp3 6
sp3d2
12
八面体场对d轨道的作用
05.12.2020
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13
八面体场中d轨道能级分裂
能
o
量
球形场
自由离子
05.12.2020
八面体场
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14
1.影响分裂能o的因素(中心离子,配位体,晶体场)
(1)中心离子:
[Cr(H2O)6]3+ [Cr(H2O)6]2+
o /cm-1 17600
14000
第三章 配合物的化学键理论
3.1 价键理论和杂化原子轨道 3.2 晶体场理论 3.3 分子轨道理论
05.12.2020
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1
思考题1
已知: [Co(H2O)6]2+ = 4.3 B.M. [Co(EDTA)]- = 0 B.M.
指出分子构型、中心离子的价层电子排布和杂化方式
05.12.2020
例:[Fe(CN)6]3μ= 2.4B.M.
内轨型配合物
低自旋
例:[FeF6]3-
μ= 5.90B.M.
外轨型配合物
高自旋
05.12.2020
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9
思考题1
已知: [Co(H2O)6]2+ = 4.3 B.M. [Co(EDTA)]- = 0 B.M.
指出分子构型、中心离子的价层电子排布和杂化方式
05.12.2020
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某些过渡金属离子的电子成对能与晶体场分裂能
05.12.2020
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20
以d 4为例
o < P ------弱场
eg
t2g
排布规律:
o > P ------强场
eg t2g
弱场( o <P )中,电子优先占据不同的轨道; 强场( o >P )中,电子最后占据eg轨道。
05.12.2020
空间构型
直线 平面三角形 四面体 平面正方形 三角双锥 四方锥 八面体 八面体
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例子
[Ag(NH3)2]+ HgI3[Zn(NH3)4 ]2+ [Ni(CN)4]2[Fe(CO)5] [VO(acac)2] [Fe(CN)6]3[FeF6]3-
6
[Ni(CN)4]2-的空间构型为平面正方形,μ= 0
05.12.2020
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价键理论的优缺点
很好地解释了配合物的空间构型、磁性,直 观明了
无法解释配合物的颜色(吸收光谱) 无法解释配合物的稳定性随Mn+的d电子数目
的多少而变化 Fe3+的外轨配合物动用了高能量的4d轨道似乎
不大可能
05.12.2020
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3.2 晶体场理论(CFT)
o /cm-1 13000
18600
22900
34000
各种配体对同一M产生的晶体场分裂能的值由小到大的顺序
I-<Br-<Cl-,SCN-<F-<OH-<C2O42<H2O<NCS-
<edta<NH3<en<bipy<phen<SO32-<NO2<CO, CN-
光谱化学序列
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(3)晶体场类型的影响