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Energieniveauschemata für Kristallfeldtheorie
In der Kristallfeldtheorie werden die Energieaufspaltungen der d-Orbitale von Metallionen in Komplexen durch die elektrostatische Wechselwirkung mit den Ligandenfeldern beschrieben. In Abhängigkeit von der Geometrie des Ligandenfeldes und der Stärke des Feldes, das durch die Liganden erzeugt wird, spalten die fünf entarteten d-Orbitale in verschiedene Energieniveaus auf. Man unterscheidet typischerweise zwischen starken Feldliganden und schwachen Feldliganden, die eine große beziehungsweise geringe Aufspaltung verursachen.
Um die Energieniveaus und Elektronenkonfigurationen für deine spezifischen Beispiele zu zeichnen, musst du zunächst die Anzahl der d-Elektronen des Zentralions (\(\mathrm{Fe}^{3+}\)) bestimmen und dann betrachten, ob die Liganden stark oder schwach sind.
Energieaufspaltung und Elektronenkonfiguration:
1.
\(\left[\mathrm{FeF}_{6}\right]^{3-}\)
Das Eisenion (\(\mathrm{Fe}^{3+}\)) hat in diesem Fall 5 d-Elektronen \( (3d^5) \), da das neutrale Eisen (\(\mathrm{Fe}\)) 8 d-Elektronen hat \( (3d^6 4s^2)\) und durch die Entfernung von 3 Elektronen \( (3d^6 \rightarrow 3d^5)\) zu \( \mathrm{Fe}^{3+}\) wird.
Fluorid-Liganden (\(\mathrm{F}^{-}\)) sind typischerweise als schwache Feldliganden eingestuft, was bedeutet, dass sie eine geringe Energieaufspaltung der d-Orbitale verursachen. Dies führt zu einem sogenannten "high-spin" Komplex. Für einen Oktaederkomplex mit schwachen Feldliganden spalten die d-Orbitale in zwei Gruppen auf: \(t_{2g}\) und \(e_g\), wobei \(t_{2g}\) energetisch günstiger ist.
Die Elektronen füllen zuerst die \(t_{2g}\)-Orbitale und wegen der schwachen Feldaufspaltung werden auch die \(e_g\)-Orbitale besetzt, um den Spin zu maximieren:
- \(t_{2g}^3 e_g^2\) High-Spin-Konfiguration für \(\left[\mathrm{FeF}_{6}\right]^{3-}\)
2.
\(\left.\mathrm{Fe}(\mathrm{CN})_{6}\right]^{3-}\)
Cyanid-Liganden (\(\mathrm{CN}^{-}\)) sind starke Feldliganden und verursachen eine große Aufspaltung zwischen den \(t_{2g}\) und \(e_g\) Orbitalen. Das Eisenion (\(\mathrm{Fe}^{3+}\)) hat ebenfalls 5 d-Elektronen \( (3d^5)\).
Da \(\mathrm{CN}^{-}\) eine starke Feldaufspaltung erzeugt, tendieren die Elektronen dazu, die niedrigeren \(t_{2g}\)-Orbitale zu besetzen und die höheren \(e_g\)-Orbitale so lange wie möglich zu meiden, was zu einer "low-spin" Konfiguration führt:
- \(t_{2g}^5 e_g^0\) Low-Spin-Konfiguration für \(\left.\mathrm{Fe}(\mathrm{CN})_{6}\right]^{3-}\)
Zusammenfassung:
Du zeichnest die Elektronen in den d-Orbitalen basierend auf der Anzahl der d-Elektronen am Zentralion und ob der Ligand ein starkes oder schwaches Feld erzeugt. Für \(\left[\mathrm{FeF}_{6}\right]^{3-}\) zeichnest du eine High-Spin-Konfiguration mit 3 Elektronen in den \(t_{2g}\)-Orbitalen und 2 in den \(e_g\)-Orbitalen. Für \(\left.\mathrm{Fe}(\mathrm{CN})_{6}\right]^{3-}\) zeichnest du eine Low-Spin-Konfiguration mit allen 5 Elektronen in den \(t_{2g}\)-Orbitalen und keinem in den \(e_g\)-Orbitalen.
