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配位化合物や錯体は、構成する金属原子・イオン・配位子によって、さまざまな色や形、磁気的挙動を示します。このような配位錯体の結合や構造を説明するために、ライナス・ポーリングは「混成」と「原子軌道の重なり」という概念を用いて、「原子価結合理論」(VBT)を提唱しました。VBTによると、中心となる金属原子やイオン(ルイス酸)が混成して、適切なエネルギーの空軌道を得ます。これらの軌道は、満たされた配位子軌道(ルイス塩基)から電子対を受け取り、金属-配位子間の配位共有結合を形成します。混成の種類と混成軌道の数によって、錯体の形状が決まります。

幾何配置 Hybridization
直線状 sp
四面体型 sp3
平面四角形 dsp2
八面体型 d2sp3 or sp3d2

四面体型錯体では、金属上の3つの空のp軌道と1つの空のs軌道が混成して4つのsp3混成軌道が形成されます。これが満たされた配位子の軌道と重なり、共有結合を形成します。同様に、八面体型錯体の場合は、中心の金属イオン上の空いている原子軌道を混ぜ合わせることで6つの混成軌道が作られる(d2sp3またはsp3d2混成化)。直線状の錯体の場合、1つのsと1つのp軌道が重なり、2つのsp混成軌道が形成されます。

Inner and Outer Orbital Complexes

近接する配位子場の強さは、中心金属イオン上の原子軌道の混成に影響を与えます。例えば、[Co(NH3)6]3+のような八面体型錯体の例を考えたいです。Co3+イオンは、3d軌道に6個の電子を持ち、4sおよび4p軌道が空いています。強い配位子場を形成するNH3配位子が入ると、不対になっている3d電子が再配置され、他の3d電子と電子対を形成します。これにより、2つの空の3d軌道が作られ、それが1つの4sと3つの4p軌道と組み合わさって、6つの等価なd2sp3混成軌道が形成されます。この6つの混成軌道は、アンモニア配位子の満たされた原子軌道と重なり、八面体の複合体を形成します。金属の内側のd(3d)軌道が混成に関与しているので、[Co(NH3)6]3+は内軌道錯体です。不対電子が存在しないため、反磁性を示し、低スピン錯体とも呼ばれます。

Image1

[Co(F)6]3+のような別の八面体型錯体では、フッ化物イオンの配位子場が弱いため、金属の3d6電子は再配列しません。混成のための空軌道を提供するために、一番外側の空の4d軌道のうちの2つが、1つの4sと3つの4p軌道と結合して、6つの空の混成軌道を形成します。一番外側のd軌道を使うので、この混成はsp3d2混成と呼ばれ、この錯体は外軌道錯体と呼ばれます。また、不対電子が存在すると常磁性体となるため、これらの錯体は高スピン錯体とも呼ばれます。

Image2

高スピンまたは外軌道錯体は、低スピンまたは内軌道錯体に比べて、(sp3d2 軌道のエネルギーが高いために)より不安定で安定性が低いです。

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Valence Bond TheoryCoordination ComplexesGeometriesOctahedralTetrahedralSquare PlanarMetal OrbitalsCoordinate Covalent BondsHybridizationS OrbitalP OrbitalD OrbitalVacant OrbitalsLigand OrbitalsOctahedral ComplexHexafluorocobaltate IIICo3 Ion3d6 Orbitals4s Orbital4p Orbital4d OrbitalSp3d2 OrbitalsParamagnetic ComplexHexamminecobalt IIIAmino GroupsVacant 3d OrbitalsD2sp3 Hybrid OrbitalsAmmonia GroupsDiamagnetic ComplexTetrahedral ComplexTetrachloronickelateNi2 Ion3d8 Configuration

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20.7 : 原子価結合理論

遷移金属と配位錯体

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