A-level 化學/OCR (Salters)/配合物

配合物是一種化合物，其中中心金屬原子周圍環繞著配體，配體與之形成配位共價鍵。在化學理念第11.6節中討論了配合物：d區：配合物的形成。

配合物幾何形狀的例子

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  線性
  二氨合銀(I)，[Ag(NH₃)₂]⁺
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  線性
  二氰合金(I)，[Au(CN)₂]⁻
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  四面體
  四氯合鎳(II)，[NiCl₄]²⁻
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  四面體
  四羰基鎳，Ni(CO)₄
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  四面體
  四氫合硼(III)，[BH₄]⁻
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  四面體
  四羥基合鋅(II)，[Zn(OH)₄]²⁻
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  平面正方形
  四氨合銅(II)，[Cu(NH₃)₄]²⁺
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  平面正方形
  四氰合鎳(II)，[Ni(CN)₄]²⁻
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  平面正方形
  順鉑，順-二氨二氯合鉑(II)，PtCl₂(NH₃)₂
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  八面體
  六水合銅(II)，[Cu(H₂O)₆]²⁺
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  八面體
  六氰合鐵(III)，[Fe(CN)₆]³⁻

為什麼過渡金屬配合物通常有顏色？

您可能想看看光譜頁面，以提醒自己光是如何以及為什麼與分子中的電子相互作用。您也可以看看原子軌道頁面，以瞭解d軌道的形狀。

配體使部分填充的d軌道分裂

簡而言之，過渡金屬配合物有顏色是因為它們中心的過渡金屬原子具有被周圍配體分裂的部分填充的d亞層。部分填充表示至少一個d軌道是半填充或空的，並且至少一個d軌道是半填充或滿的，即d亞層包含1到9個電子。分裂表示在d亞層內，現在存在不同的能級，而在沒有配體的情況下，構成d亞層的五個d軌道都具有相同的能量。

這實際上是大學級別的主題

為了考試的目的，Salters A-Level 化學的學生不需要理解配體如何以及為什麼導致d亞層分裂，只需要知道它發生了。繼續在大學學習化學的學生將更詳細地學習金屬原子和離子與配體之間的相互作用，他們將在那裡遇到晶體場理論（配體對d軌道的靜電效應）和配位場理論（配體與金屬原子和離子的共價鍵合）。

配體使d軌道分裂

在沒有配體的情況下，所有五個d軌道都具有相同的能量。

一個配合物需要配體才能有顏色。在沒有配體的情況下，所有五個d軌道在能量上是相等的（簡併在這裡經常用到的一個詞——它只是意味著具有相同的能量）。當存在配體時，一些d軌道會變得比以前具有更高的能量，而另一些則變得更低。發生這種情況是因為一些d軌道比其他d軌道更靠近配體，因此它們受到配體電子的排斥更多，因此具有更高的能量。

空的d殼層不能吸收可見光子

空的d殼層沒有電子可以吸收光子

一個有顏色的配合物需要部分填充的d軌道。空的d軌道不能產生顏色，因為它們缺少電子。需要電子透過吸收可見光光子從低能量d軌道躍遷到高能量d軌道。Sc³⁺的配合物是無色的，因為Sc³⁺（電子構型：[Ar]3s²3d⁰）具有空的d軌道。

在元素週期表中位於Ti之前的元素都是如此——它們都沒有電子在它們的d軌道中。例如，K有d軌道，但它們是空的，因此，K的配合物不能吸收光子，從而將一個d電子從d軌道激發到一個更高的能級，因為K沒有任何d電子。

滿的d殼層不能吸收可見光子

如果所有d軌道都滿了，d電子在獲得能量後將無處可去。

如果一個配合物具有空的d殼層，就沒有電子可以移動。如果一個配合物具有滿的d殼層，在任何d軌道中都沒有空位可供電子移動。Zn²⁺和Cu⁺（電子構型：[Ar]3s²3d¹⁰）的配合物是無色的，因為Zn²⁺和Cu⁺的d軌道是滿的。

配體如何使d軌道分裂？

我們上面注意到，在過渡金屬原子或離子周圍存在配體會使五個d軌道分裂成兩組，一組比配體到達之前具有更高的能量，而另一組則具有更低的能量。化學理念第271頁提供了簡短而甜蜜的解釋，非常適合複習和考試。本節試圖提供更深入的解釋。它比Salters 高階化學規範要求的更詳細，但這可能是您想要了解的內容，如果您有興趣。

配體電子排斥d電子

配體具有孤對電子，它們用來與過渡金屬原子或離子鍵合。這些配體電子的存在排斥了過渡金屬在其d軌道中的電子。金屬d電子無處可去以避免排斥，因此唯一的影響是它們的能量增加。

配體對不同的d軌道有不同的影響

配體對五個 d 軌道的影響程度不同。將電子帶到靠近配體的 d 軌道會使其能量大幅上升。佔據遠離配體空間的 d 軌道也會使其能量上升，但幅度較小。正如您可能想象的那樣，配體的具體位置決定了它們會對哪些 d 軌道產生最大的影響。

八面體配合物的分裂

在八面體配合物中，兩個 d 軌道能量升高，三個 d 軌道能量降低。能量較高的兩個 d 軌道被標記為 e_g，能量較低的三個 d 軌道被標記為 t_2g。

在八面體配合物中，d_z² 和 d_x²−y² 軌道的能量升高最為顯著。我們稱 d_z² 和 d_x²−y² 軌道為 e_g d 軌道。

以下圖片展示了 d_z²（左）和 d_x²−y²（右）軌道以及它們在八面體配合物中的位置。中心的過渡金屬原子或離子為灰色，六個配體為紅色，軌道為黃色。

讓我們繼續考慮八面體配合物。其餘的 d 軌道，d_xy、d_xz 和 d_yz，其能量上升幅度較小。我們稱 d_xy、d_xz 和 d_yz 軌道為 t_2g d 軌道。

以下圖片展示了這三個軌道在八面體配合物中相對於中心金屬原子和配體的位置。將這些 t_2g 軌道圖片與上面的 e_g 軌道圖片進行比較。您可能會注意到，平均而言，t_2g 軌道比 e_g 軌道遠離配體。這是造成分裂的原因。

四面體配合物的分裂

在四面體配合物中，三個 d 軌道能量升高，兩個 d 軌道能量降低。能量較高的三個 d 軌道被標記為 t₂，能量較低的兩個 d 軌道被標記為 e。這與八面體配合物中能量順序相反。

在四面體配合物中，d_xy、d_xz 和 d_yz 軌道的能量升高最為顯著。我們稱 d_xy、d_xz 和 d_yz 軌道為 t₂ d 軌道。

其餘的 d 軌道，d_z² 和 d_x²−y²，其能量上升幅度較小。我們稱 d_z² 和 d_x²−y² 軌道為 e d 軌道。

e_g 和 t_2g

您應該瞭解 e_g 和 t_2g 的標記；它們是源自群論的數學結構。化學家後來借用了這些標記，因為它們指的是分子對稱性，對於確定分子的行為、軌道分裂和性質非常有用。