配合物的化学键理论讲义 (2)优秀课件.ppt
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1、配合物的化学键理论讲义第1页,本讲稿共70页一、价键理论一、价键理论lLPauling等人在二十世纪等人在二十世纪30年代初提出了杂化轨道年代初提出了杂化轨道理论,首先用此理论来处理理论,首先用此理论来处理配合物的形成(配位数)配合物的形成(配位数)、配合物的几何构型、配合物的磁性、配合物的几何构型、配合物的磁性等问题,建等问题,建立了配合物的价键理论,在配合物的化学键理论立了配合物的价键理论,在配合物的化学键理论的领域内占统治地位达二十多年之久。的领域内占统治地位达二十多年之久。第2页,本讲稿共70页1.价键理论的基本内容价键理论的基本内容l配合物的中心体配合物的中心体M与配体与配体L之间的
2、结合,一般是靠配之间的结合,一般是靠配体单方面提供孤对电子对与体单方面提供孤对电子对与M共用,形成配键共用,形成配键M L,这种键的本质是共价性质的,称为,这种键的本质是共价性质的,称为配键。配键。l形成配位键的必要条件是:配体形成配位键的必要条件是:配体L至少含有一对孤对至少含有一对孤对电子对,而中心体电子对,而中心体M必须有空的价轨道。必须有空的价轨道。第3页,本讲稿共70页l在形成配合物(或配离子)时,中心体所提供的空轨在形成配合物(或配离子)时,中心体所提供的空轨道道(s、p,d、s、p或或s、p、d)必须首先进行杂化,必须首先进行杂化,形成能量相同的与配位原子数目相等的新的杂化形成能
3、量相同的与配位原子数目相等的新的杂化轨道。轨道。l中心离子中心离子M具有空(杂化)轨道,配位体提供孤电具有空(杂化)轨道,配位体提供孤电子对,形成子对,形成 配键配键(ML),如,如Co(NH3)63+。配离。配离子的空间结构、配位数及稳定性等主要决定于子的空间结构、配位数及稳定性等主要决定于中心离子的杂化轨道数目和类型。中心离子的杂化轨道数目和类型。第4页,本讲稿共70页配位数配位数空间构型空间构型杂化轨道类型杂化轨道类型实例实例2直线形直线形sp Ag(NH3)2+Ag(CN)2 3平面三角形平面三角形sp2Cu(CN)32 HgI3 4正四面体正四面体sp3Ni(NH3)42+Cd(CN
4、)42 4四方形四方形dsp2Ni(CN)42 5三角双锥三角双锥dsp3Ni(CN)53 Fe(CO)55四方锥四方锥d4sTiF52 6八面体八面体Sp3d2FeF63 AlF63-SiF62-PtCl64-6d2sp3Fe(CN)63 Co(NH3)63+杂化轨道与空间结构关系杂化轨道与空间结构关系第5页,本讲稿共70页2.内轨、外轨型配合物内轨、外轨型配合物FeF63 sp3d2杂化,杂化,八面体构型,八面体构型,外轨型配合物外轨型配合物6个个 键键第6页,本讲稿共70页(1)外轨型配合物外轨型配合物l中心离子用外层中心离子用外层ns,np,nd杂化轨道与电负性很杂化轨道与电负性很大的
5、配位原子,如大的配位原子,如X-、O等形成外轨型配合物。等形成外轨型配合物。例如,例如,FeF63-配离子,配离子,Fe采用采用sp3d2外轨型杂化轨外轨型杂化轨道,配合物的键能小,不稳定,在水中易离解。道,配合物的键能小,不稳定,在水中易离解。第7页,本讲稿共70页d2sp3杂化杂化,八面体构型,八面体构型,内轨型配合物内轨型配合物。6个 键第8页,本讲稿共70页(2)内轨型配合物内轨型配合物l中心离子用外层中心离子用外层(n-1)d,ns,np杂化轨道与电负性较杂化轨道与电负性较小的配位原子,如小的配位原子,如CN-、NO2-等形成内轨型配合物。等形成内轨型配合物。例如例如Fe(CN)63
6、-配离子,配离子,Fe采用采用d2sp3内轨型杂化轨内轨型杂化轨道,配合物的键能大,稳定,在水中不易离解。道,配合物的键能大,稳定,在水中不易离解。第9页,本讲稿共70页(3)内内、外轨型配合物的测定外轨型配合物的测定-磁矩磁矩l由磁矩可判断内轨或外轨型配合物由磁矩可判断内轨或外轨型配合物l lnn分子中未成对电子数分子中未成对电子数分子中未成对电子数分子中未成对电子数第10页,本讲稿共70页配位体场配位体场(主要因素主要因素),中心原子构型,中心原子构型(次要因素次要因素)(a)强场配体强场配体,如如CN CO NO2 等等,易形成内轨型,弱场配体,如易形成内轨型,弱场配体,如 X 、H2O
7、易形成外轨型易形成外轨型(b)中心原子中心原子d3型型,如如Cr3+,有空,有空(n-1)d轨道,轨道,(n-1)d2 ns np3易形成内轨易形成内轨型;中心原子型;中心原子d8 d10型型,如如Fe2+,Ni2+,Zn2+,Cd2+,Cu+,无空,无空(n-1)d轨道,轨道,(ns)(np)3(nd)2易形成外轨型易形成外轨型(4)内轨、外轨影响因素内轨、外轨影响因素第11页,本讲稿共70页配位键的键能:配位键的键能:内轨型内轨型 外轨型外轨型配合物的稳定性:内轨型配合物的稳定性:内轨型 外轨型外轨型稳定常数:稳定常数:内轨型内轨型 外轨型外轨型(5)内内、外轨型配合物的差别外轨型配合物的
8、差别第12页,本讲稿共70页 外轨型配合物,中心原子的电子结构不发生改变,未成对电子数多,外轨型配合物,中心原子的电子结构不发生改变,未成对电子数多,较大,一般为较大,一般为高自旋高自旋配合物配合物 内轨型配合物,中心原子的电子结构发生了重排,未成对电子数减少,内轨型配合物,中心原子的电子结构发生了重排,未成对电子数减少,较小,一般为较小,一般为低自旋低自旋配合物配合物第13页,本讲稿共70页3.配合物中的化学键配合物中的化学键主键:主键:键键副键:反馈副键:反馈*键键第14页,本讲稿共70页反馈反馈*键键l在在-配合物中,配位体中没有孤电子对,而是提供配合物中,配位体中没有孤电子对,而是提供
9、 电子形成电子形成 配键,同时金属离子配键,同时金属离子(或原子或原子)也提供电子,由配位体的反也提供电子,由配位体的反键空键空*轨道容纳此类电子形成反馈轨道容纳此类电子形成反馈 键,如键,如1825年发现的年发现的蔡蔡斯盐斯盐KPt(C2H4)Cl3。l C C2 2H H4 4的的电子与电子与PtPt2 2配位:配位:第15页,本讲稿共70页第16页,本讲稿共70页配离子的杂化轨道类型配离子的杂化轨道类型,说明了配离子的空间构型和配位数,以及配合物之间稳说明了配离子的空间构型和配位数,以及配合物之间稳定性的差异。定性的差异。(1)可以解释可以解释Co(CN)64-易被氧化易被氧化Co(CN
10、)63-但无法解释但无法解释Cu(NH3)42+结构结构稳定的事实。稳定的事实。(2)对配合物产生高低自旋的解释过于牵强。对配合物产生高低自旋的解释过于牵强。(3)无法解释配离子的稳定性与中心离子电子构型之间的关系,未考虑配体对中无法解释配离子的稳定性与中心离子电子构型之间的关系,未考虑配体对中心离子的影响。心离子的影响。4.价键理论的局限性价键理论的局限性第17页,本讲稿共70页二、二、晶体场理论晶体场理论晶体场理论要点:晶体场理论要点:l在配合物中,中心离子在配合物中,中心离子M处于带电的配位体处于带电的配位体L形成的形成的静电场中,二者完全靠静电作用结合在一起。静电场中,二者完全靠静电作
11、用结合在一起。l 配位体对中心离子的影响配位体对中心离子的影响(a)中心离子)中心离子M与配位体与配位体L成键时,配体的静电场对中成键时,配体的静电场对中心离子的心离子的d 轨道电子的不同排轨道电子的不同排 斥作用力,使斥作用力,使d 轨道能级发轨道能级发生了分裂。生了分裂。第18页,本讲稿共70页(b)过渡金属的中心离子的过渡金属的中心离子的5个个d轨道在假想的球形轨道在假想的球形场场(均匀电场均匀电场)中能量是简并的,中能量是简并的,受到配位体负电受到配位体负电场作用时,会发生场作用时,会发生d 轨道的能级分裂。轨道的能级分裂。l晶体场理论的核心是配位体的静电场与中心离子的作晶体场理论的核
12、心是配位体的静电场与中心离子的作用引起的用引起的d轨道的分裂和轨道的分裂和d电子进入低能轨道时所产生电子进入低能轨道时所产生的稳定化能。的稳定化能。l分裂类型与空间构型有关。分裂类型与空间构型有关。第19页,本讲稿共70页第20页,本讲稿共70页1.分裂能分裂能(1)分裂能与配合物几何构型的关系)分裂能与配合物几何构型的关系l 八面体型的配合物八面体型的配合物在八面体型的配合物中,在八面体型的配合物中,6个配位体分别占据八面体个配位体分别占据八面体的的6个顶点,由此产生的静电场叫做八面体场。个顶点,由此产生的静电场叫做八面体场。第21页,本讲稿共70页(1)八面体场八面体场第22页,本讲稿共7
13、0页第23页,本讲稿共70页八面体场中八面体场中d轨道能级分裂轨道能级分裂自由离子自由离子简并轨道简并轨道 球形对称静电场球形对称静电场在八面体场中在八面体场中d轨道能级分裂轨道能级分裂dz2,dx2-y2,轨道能量升高较多轨道能量升高较多(eg 或或 dr)dxy,dyz,dxz轨道能量升高较少轨道能量升高较少 (t2g 或或 d)第24页,本讲稿共70页(2)正四面体场正四面体场dx2-y2dxy第25页,本讲稿共70页四面体场中四面体场中d轨道能级分裂轨道能级分裂自由离子自由离子简并轨道简并轨道 球形对称静电场球形对称静电场在四面体场中在四面体场中d轨道能级分裂轨道能级分裂dz2,dx2
14、-y2,轨道能量升高较少轨道能量升高较少(e 或或d)dxy,dyz,dxz轨道能量升高较多轨道能量升高较多(t2或或dr)第26页,本讲稿共70页(3)平面正方形配位场平面正方形配位场dx2-y2dxy第27页,本讲稿共70页平面正方形中平面正方形中d轨道能级分裂轨道能级分裂第28页,本讲稿共70页d轨道分裂后,最高轨道分裂后,最高d轨道的能量与最低轨道的能量与最低d轨道的能量差,称为分裂能轨道的能量差,称为分裂能()o:(O:octahedral)八面体场八面体场d轨道的能级分裂能轨道的能级分裂能 o=10 Dq t:(t:tetrahedral)四面体场四面体场d轨道的能级分裂能轨道的能
15、级分裂能 t=4/9 o=4.45 Dq第29页,本讲稿共70页(a)八面体场)八面体场 eg轨道轨道 的能量为的能量为Eeg,t2g轨道的能量为轨道的能量为E t2g E eg E t2g =10 Dq =o (1)2E eg+3E t2g =0 (2)解得:解得:E eg=6 Dq E t2g=4 Dq (要求记住)(要求记住)(4)轨道能量的计算轨道能量的计算第30页,本讲稿共70页(b)四面体场四面体场 实验测得:实验测得:t =4/9 o t =4.45 Dq E t2 E e=t (1)2E e+3E t2 =0 (2)解得:解得:E t2 =1.78 Dq E e =2.67 D
16、q(记住)(记住)(c)正方形场:正方形场:s=17.42 Dq第31页,本讲稿共70页四面体场四面体场八面体场八面体场四方形场四方形场在不同场中的分裂情况在不同场中的分裂情况:正方形八面体四面体正方形八面体四面体第32页,本讲稿共70页例如:例如:Cr(H2O)63+Cr(H2O)62+o/cm-1 17600 14000 Fe(H2O)63+Fe(H2O)62+o/cm-1 13700 10400 CrCl63-MoCl63-o/cm-1 13600 19200分裂能与中心离子的关系电荷分裂能与中心离子的关系电荷Z增大,增大,增大;主量子数增大;主量子数n增大,增大,o增大,增大,3d 4
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