Struktur Elektronik Kompleks

Diperlukan beberapa konsep untuk memahami struktur, spektrum, kemagnetan, dan kereaktifan kompleks yang bergantung pada konfigurasi elektron  d. Khususnya, teori struktur elektronik sangat penting.

a    Teori medan ligan
Teori medan ligan adalah satu dari teori yang paling bermanfaat untuk menjelaskan struktur elektronik kompleks. Awalnya teori ini adalah aplikasi  teori medan kristal pada sistem kompleks.
Kompleks oktahedral berbilangan koordinasi enam

Lima orbital d dalam kation logam transisi terdegenerasi dan memiliki energi yang sama.

Medan listrik negatif yang sferik di sekitar kation logam akan menghasilkan tingkat energi total yang lebih rendah dari tingkat energi kation bebas sebab ada interaksi elektrostatik. Interaksi repulsif antara elektron dalam orbital logam dan medan listrik mendestabilkan sistem dan sedikit banyak mengkompensasi stabilisasinya (Gambar 6.4).

Kini ion tidak berada dalam medan negatif yang uniform, tetapi dalam medan yang dihasilkan oleh enam ligan yang terkoordinasi secara oktahedral pada atom logam. Medan negatif dari ligan disebut dengan medan ligan. Muatan negatif, dalam kasus ligannya anionik, atau ujung negatif (pasangan elektron bebas) dalam kasus ligan netral, memberikan gaya tolakan pada orbital d logam yang anisotropik bergantung pada arah orbital. Positisi kation logam dianggap pusat koordinat Cartesius (Gambar 6.5). Maka, orbital d_x2-y2 dan d_z2 berada searah dengan sumbu dan orbital d_xy, d_yz, dan d_xz berada di antara sumbu. Bila ligan ditempatkan di sumbu, interaksi repulsifnya lebih besar untuk orbital e_g (dx2-y2, d_z2) daripada untuk orbital t_2g (d_xy, d_yz, d_xz), dan orbital eg didestabilkan dan orbital  t_2g distabilkan dengan penstabilan yang sama. Dalam diskusi berikut ini, hanya perbedaan energi antara orbital t_2g dan e_g sangat penting dan energi rata-rata orbital-orbital ini dianggap sebagai skala nol. Bila perbedaan energi dua orbital e_g dan tiga orbital t_2g dianggap ∆_o, tingkat energi eg adalah +3/5∆_o dan tingkat energi orbital t_2g adalah -2/5∆_o (Gambar 6.6). (∆_o biasanya juga diungkapkan dengan 10 Dq. Dalam hal ini energi eg menjadi 6 Dq dan energi t_2g -4 Dq).

Ion logam transisi memiliki 0 sampai 10 elektron d dan bila orbital d yang terbelah diisi dari tingkat energi rendah, konfigurasi elektron  t_2g^xe_g^y yang berkaitan dengan masing-masing ion didapatkan. Bila tingkat energi nol ditentukan sebagai tingkat energi rata-rata, energi konfigurasi elektron relatif terhadap energi nol adalah

LFSE = (-0.4x+0.6y)∆₀

Nilai ini disebut energi penstabilan medan ligan (ligand field stabilization energy = LFSE). Konfigurasi elektron dengan nilai LFSE lebih kecil (dengan memperhitungkan tanda minusnya) lebih stabil. LFSE adalah parameter penting untuk menjelaskan kompleks logam transisi.

Syarat lain selain tingkat energi yang diperlukan untuk menjelaskan pengisian elektron dalam orbital  t_2g dan e_g adalah energi pemasangan. Bila elektron dapat menempati orbital dengan spin antiparalel, namun akan ada tolakan elektrostatik antar elektron dalam orbital yang sama. Tolakan ini disebut energi pemasangan (pairing energy = P).

Bila jumlah elektron d kurang dari tiga, energi pemasangan diminimasi dengan menempatkan elektron dalam orbital  t_2g dengan spin paralel. Dengan demikian konfigurasi elektron yang dihasilkan adalah t_2g¹, t_2g², atau t_2g³.

Dua kemungkinan yang mungkin muncul bila ada elektron ke-empat. Orbital yang energinya lebih rendah t_2g lebih disukai tetapi pengisian orbital ini akan memerlukan energi pemasangan, P.

Energi totalnya menjadi

-0.4∆_o × 4 + p  = -1.6∆_o + P

Bila elektron mengisi orbital yang energinya lebih tinggi e_g, energi totalnya menjadi

-0.4∆_o × 3 + 0.6∆_o = -0.6∆_o

Konfigurasi elektron yang akan dipilih bergantung pada mana dari keduanya yang nilainya lebih besar. Oleh karena itu bila ∆_o > P, t_2g⁴ lebih disukai dan konfigurasi ini disebut medan kuat atau konfigurasi elektron spin rendah. Bila ∆_o < P, t_2g³ e_g¹ lebih disukai dan konfigurasi ini disebut medan lemah atau konfigurasi elektron spin tinggi. Pilihan yang sama akan terjadi untuk kompleks oktahedral d⁵, d⁶, dan d⁷ dan dalam medan kuat akan didapat t_2g⁵, t_2g⁶, t_2g⁶ eg¹ sementara dalam medan lemah akan lebih stabil bila konfigurasinya t_2g³ e_g², t_2g⁴ e_g², t_2g⁵ e_g². Parameter pemisahan medan ligan ∆_o ditentukan oleh ligan dan logam, sementara energi pemasangan, P, hampir konstan dan menunjukkan sedikit ketergantungan pada identitas logam.