Elettroni del metallo negli orbitali d Complessi ottaedrici i primi 3 elettroni entrano nei 3 orbitali t2g , secondo la regola di Hund il quarto elettrone ha due possibilità: entrare in un orbitale eg , secondo la regola di Hund entrare in un orbitale t2g N.B. i parametri in gioco sono o (separazione energetica t2g – eg) e P (energia richiesta per costringere 2 elettroni ad appaiarsi nello stesso orbitale) se o < P il quarto elettrone ed il successivo entreranno negli orbitali eg (campo debole complessi ad alto spin) se o > P il quarto elettrone e i due successivi entreranno negli orbitali t2g (campo forte complessi a basso spin) nei complessi ottaedrici regolari l’alternativa alto spin / basso spin è possibile solo per le configurazioni elettroniche d4, d5, d6, d7 conoscendo l’energia di stabilizzazione e di destabilizzazione per ciascun elettrone nei t2g (- 2/5 o) e negli eg (+ 3/5 o) è possibile calcolare l’energia di stabilizzazione (CFSE) (in o ) per le configurazioni d1- d10 alto spin basso spin 0 0 0 1 -2/5 -2/5 2 -4/5 -4/5 3 -6/5 -6/5 4 5 6 7 -3/5 0 -2/5 -4/5 -8/5 -10/5 -12/5 -9/5 8 -6/5 -6/5 9 10 -3/5 0 -3/5 0 tenendo conto dell’energia di appaiamento (P) è possibile calcolare l’energia di stabilizzazione (CFSE) complessiva dovuta alla separazione del campo cristallino per le configurazioni d4 – d7 in alto spin e basso spin alto spin basso spin 4 -3/5 -8/5+P 5 6 0 -2/5 -10/5+2P -12/5+2P 7 -4/5 -9/5+P N.B. l’energia di appaiamento (P) deve essere conteggiata considerando la variazione di coppie elettroniche rispetto al campo sferico e non considerando il numero assoluto di coppie elettroniche se o = P l’alternativa nelle due diverse distribuzioni non esiste e gli stati ad alto spin e a basso spin hanno uguale energia e sono ugualmente probabili noti i valori di o e P per un determinato complesso, è possibile prevedere quale configurazione è più stabile, es. [Fe(H2O)6]2+ o = 10.400 cm-1 ; P = 17.600 cm-1 o < P configurazione ad alto spin t2g4 eg2 4e- spaiati Fe2+ (d6) CFSE h.s. = - 2/5 o = - 4.160 cm-1 CFSE l.s. = - 12/5 o + 2 P = + 10.240 cm-1 [Fe(CN)6]4- o = 33.000 cm-1 ; P = 17.600 cm-1 o > P configurazione a basso spin t2g6 eg0 0e- spaiati Fe2+ (d6) CFSE h.s. = - 2/5 o = - 13.200 cm-1 CFSE l.s. = - 12/5 o + 2 P = - 44.000 cm-1 N.B. 1 cm-1 /mole 12.04 J/mole = 2.86 cal/mole Complessi tetraedrici i primi 2 elettroni entrano nei 2 orbitali e , secondo la regola di Hund il terzo elettrone in teoria avrebbe due possibilità: entrare in un orbitale t2 , secondo la regola di Hund entrare in un orbitale e N.B. i parametri in gioco sono t (separazione energetica e – t2) e P (energia richiesta per costringere 2 elettroni ad appaiarsi nello stesso orbitale) nei complessi tetraedrici regolari l’alternativa alto spin / basso spin sarebbe possibile solo per le configurazioni elettroniche d3, d4, d5, d6 quasi sempre t < P (gli elettroni si dispongono negli orbitali e e t2 secondo la regola di Hund e si hanno complessi ad alto spin) salvo casi di stati di ossidazione eccezionalmente alti del metallo in cui t > P e si hanno complessi a basso spin, es. Co4+ (d5, 1e- spaiato) in [Co(1-norb)4] , tetrakis(1-norbornil)cobalto Os4+ (d4, 0e- spaiati) Confronto tra la coordinazione tetraedrica e ottaedrica (CFSE senza P) (d1) : CFSEtetr = - 3/5 t ; CFSEott = - 2/5 o (t ½ o) CFSE(ott – tetr) = - 2/5 o – (- 3/5 t) = - 2/5 o + 3/10 o = - 1/10 o (d9) : CFSEtetr = - 2/5 t ; CFSEott = - 3/5 o (t ½ o) CFSE(ott – tetr) = - 3/5 o – (- 2/5 t) = - 3/5 o + 2/10 o = - 4/10 o in teoria la coordinazione ottaedrica, nelle configurazioni ad alto spin, dovrebbe essere sempre favorita rispetto alla tetraedrica, tranne che nelle configurazioni d0 , d5 , d10 , in cui CFSE = 0 Dq (in realtà esistono complessi stabili tetraedrici nelle configurazioni d7 (Co2+) e d9 (Cu2+)). in pratica la coordinazione ottaedrica è più favorita rispetto alla tetraedrica solo nelle configurazioni d3, d8 (CFSEott – tetr= - 8o /10). N.B. l’energia di stabilizzazione (CFSE) è piccola rispetto ad altri contributi (energia di legame M-L, energia di idratazione). CFT e siti preferenziali di coordinazione in ossidi allo stato solido Formula generale : M’M2O4 (M, M’ : elementi metallici) nel reticolo cristallino gli atomi di ossigeno delimitano un reticolo cubico a facce centrate; 2 cavità ottaedriche (C.O.) e 1 cavità tetraedrica (C.T.) del reticolo sono occupate dagli atomi metallici Es: MII[MIII]2O4 spinello normale MII occupa la cavità tetraedrica, mentre MIII occupano le due cavità ottaedriche (CdAl2O4 , ZnAl2O4 , MnAl2O4 , ZnFe2O4 , FeAl2O4 , Mn3O4 , Co3O4) Es: MIII[MIIMIII]O4 spinello inverso MII occupa una cavità ottaedrica, mentre MIII occupano la cavità tetraedrica ed una cavità ottaedrica (NiFe2O4 , Fe3O4 , NiAl2O4) l’occupazione dei siti in composti a struttura a spinello può essere interpretata sulla base della CFSE(ott-tetr); es. Mn3O4 MnII (d5, alto spin) CFSE(ott-tetr) = 0 MnIII (d4, alto spin) CFSE(ott-tetr)= - 4/10 o spinello normale, MnII[MnIII]2O4 Co3O4 CoII (d7, alto spin) CFSE(ott-tetr) = - 2/10 o CoIII (d6, basso spin) CFSE(ott-tetr) = - 12/10 o spinello normale, CoII[CoIII]2O4 Fe3O4 FeII (d6, alto spin) CFSE(ott-tetr) = - 1/10 o FeIII (d5, alto spin) CFSE(ott-tetr) = 0 spinello inverso, FeIII[FeIIFeIII]O4 NiAl2O4 NiII (d8) CFSE(ott-tetr) = - 8/10 o AlIII (d0) CFSE(ott-tetr) = 0 spinello inverso, AlIII[NiIIAlIII]O4 (in realtà è uno spinello misto AlIII0,75NiII0,25[NiII0,75AlIII1,25]O4) Spectral analysis per la misura di o e t i valori di o o t normalmente non sono calcolati, bensì sono ricavati dagli spettri UV-Vis e dagli spettri NIR ( 7.000 - 50.000 cm-1) dei complessi, in base alle bande assegnabili alle transizioni d-d. il numero delle bande delle transizioni d-d è funzione della configurazione elettronica dn dello ione metallico. per configurazioni d1, d4 (a.s.), d6 (a.s.), d9 (Oh , Td), l’unica banda, dovuta alla transizione d-d, dà direttamente il valore di o o di t es. [Ti(H2O)6]3+ (rosso-viola)(d1), 1/ = 20.000 cm-1, o = 20.000 cm-1 per configurazioni d2 (Td), d7 (Td) e d3 (Oh), d8 (Oh), la banda a più bassa energia (delle 3 previste) dà il valore di o o di t per configurazioni d2 (Oh), d7 (Oh) e d3 (Td), d8 (Td), la separazione tra la 1° e la 3° banda (delle 3 previste) dà il valore di o o di t Confronto tra V3+ (d2) e Ni2+ (d8) a parità di geometria e leganti o [V(OH2)6]3+ > 2 o [Ni(OH2)6]2+ - V3+ ha una carica maggiore di Ni2+ , un raggio minore di Ni2+ (energia di legame V3+-OH2 > Ni2+-OH2), una maggiore interazione con gli elettroni dei leganti e quindi una maggiore destabilizzazione degli orbitali eg, - V3+ ha solo 2 elettroni nei t2g, mentre Ni2+ ha 8 elettroni, 6 nei t2g e 2 negli eg (energia di legame V3+-OH2 > Ni2+-OH2), P [V(OH2)6]3+ < P [Ni(OH2)6]2+ - Ni2+ ha più elettroni di V3+ - confrontando gli spettri elettronici di una serie di complessi ottaedrici di uno stesso metallo con diversi leganti è stato possibile classificare i leganti in base alla loro influenza sul valore di o (serie spettrochimica dei leganti): N.B. si osservi che il CO, molecola neutra e quasi apolare provoca la maggior separazione o (!!!!!). N.B. NH3 ( = 1,47 D) provoca una maggiore separazione o rispetto a H2O ( = 1,85 D) confrontando gli spettri elettronici di una serie di complessi ottaedrici di uno stesso legante con diversi metalli è stato possibile classificare i metalli in base alla loro influenza sul valore di o (serie spettrochimica dei metalli): Mn2+ < Ni2+ < Co2+ < Fe2+ < V2+ < Fe3+ < Cr3+ < V3+ < Co3+ < Mn4+ < Rh3+ < Pd4+ < Ir3+ < Pt4+ N.B. a parità di leganti e metallo, da M2+ a M3+ il valore di o raddoppia N.B. a parità di leganti e stato di ossidazione, scendendo in un gruppo il valore di o aumenta del 50% nel passare dalla 1a alla 2a serie di transizione e aumenta del 25% nel passare dalla 2a alla 3a serie di transizione, es. [M(NH3)6]3+ (M = Co, o = 23.000 cm-1 ; M = Rh, o = 34.000 cm-1 ; M = Ir, o = 41.000 cm-1) N.B. i metalli della 2a e 3a serie di transizione danno per lo più complessi a basso spin, perché: la maggiore estensione spaziale degli orbitali d porta ad una maggiore interazione con i leganti (o maggiore) l’energia di appaiamento P diminuisce per gli elementi più pesanti poiché gli orbitali sono più diffusi il valore di o in complessi ottaedrici a leganti misti del tipo [MAnB6-n] può essere previsto mediante una media pesata dei valori di o noti per i complessi del tipo [MA6] e [MB6]; es. o [MAnB6-n] = n/6 o [MA6] + (6-n)/6 o [MB6] Jorgensen ha proposto che il valore di o possa essere espresso empiricamente come prodotto di 2 fattori: o = flegante x gione metallico Es. [Co(NH3)6]3+ o = 22.900 cm-1 (misurato) o = 18,2 x 1,25 = 22,75 kK = 22.750 cm-1 (calcolato) Es. [Co(en)3]3+ o = 23.200 cm-1 (misurato) o = 18,2 x 1,28 = 23,30 kK = 23.300 cm-1 (calcolato) Es. [IrCl6]3o = 25.000 cm-1 (misurato) o = 32 x 0,78 = 24,96 kK = 24.960 cm-1 (calcolato)