四面体场分裂
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有时只有四个配体环绕金属,而且它们常常不是排成扁平的正方形,而是排成四面体——想象金属位于立方体中心,配体交错地占据八个顶角中的四个。[CoCl4]2- 和 [FeCl4]- 就是这样构成的。d 轨道在这个四配体笼子里的分裂方式就是四面体场分裂,而最大的惊喜是:它与八面体相比是上下颠倒的,而且更小。
为什么会颠倒。在四面体中,没有任何 d 轨道正对配体——配体落在沿立方体体对角线的空隙里。但指向轴间的轨道(dxy、dxz、dyz)比沿轴的轨道(dz2、dx2-y2)更靠近配体的方向。于是现在轴间那组被顶高,沿轴那组下降。结果与八面体相反:下面一组叫 e(只有两个轨道),上面一组叫 t2(三个轨道),没有下标 g,因为四面体没有对称中心。这个间隙是 delta-t,而且很小——对同样的金属和配体,大约是 delta-o 的 4/9,既因为配体更少(四个而非六个),也因为没有一个配体正对某个轨道。
实际后果非常大:由于 delta-t 如此之小,它几乎永远赢不过电子成对能,所以四面体配合物基本上总是高自旋的。你几乎遇不到低自旋的四面体配合物。小间隙也倾向于把吸收推向较低能量,常带来浓烈的颜色,比如 [CoCl4]2- 的深蓝色。
比较 [Co(H2O)6]2+——淡粉色的八面体离子,与 [CoCl4]2-——深蓝色的四面体离子。同样是 Co2+ d7 中心,但四面体版本的 delta-t 小得多,吸收发生位移,而且颜色浓烈,部分原因是四面体没有对称中心,放松了通常使 d-d 带变弱的规则。
同一个金属离子,处于八面体场还是四面体场,外观可以完全不同。
4/9 这个比值是配体相同、距离相同的理想化结果,不是自然定律;真正要记住的只是 delta-t 远小于 delta-o,这正是四面体配合物几乎总是高自旋的原因。