节分子轨域理论的应用:颜色、导电与磁性

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分子轨域配合物导电磁性

分子轨域理论:颜色、导电与磁性的根源

用同一套分子轨域图像,统一解释颜色、导电与磁性

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分子轨域配合物导电磁性

分子轨域理论:颜色、导电与磁性的根源

用同一套分子轨域图像,统一解释颜色、导电与磁性

1第 1 页 · 分子轨域理论:颜色、导电与磁性的根源

什么是分子轨域

上页说颜色、导电、磁性都源自分子轨域。但这轨域从哪来?答案是:原子轨域通过线性组合「拼」出分子轨域,英语简称 LCAO。

量子叠加原理
原子轨域是波函数,遵循薛定谔方程,能线性叠加——这是 LCAO 的物理根基
原子轨域线性组合
两原子轨域按系数加权:ψ = c_A φ_A + c_B φ_B,|c|² 越大代表该原子贡献越大
建设性干涉→成键
同相位重叠,能量降低,电子云在核间聚集,强化键合
破坏性干涉→反键
反相位重叠,能量升高,核间出现节面,削弱甚至抵消键合
池塘里两颗石子激起的水波对应 →两原子波函数的叠加

波峰遇波峰振幅变大(成键),波峰遇波谷相互抵消(反键)

ψ±=12(ϕA±ϕB)\psi_{\pm}=\frac{1}{\sqrt{2}}(\phi_A \pm \phi_B)
2第 2 页 · 什么是分子轨域

s轨域形成σ键

从左向右读:两个H原子的1s轨域沿键轴头碰头重叠,分裂出两个分子轨域。

图解渲染中…
F能量低于原子轨域,电子优先填入,键由此形成G能量高于原子轨域,反键,填入则削弱键E沿键轴方向的'头碰头'是σ键的几何特征
3第 3 页 · s轨域形成σ键

p轨域的两种重叠方式

从p轨域出发按重叠方向分叉:沿键轴头对头得σ键,垂直侧向得π键。

图解渲染中…
p1p轨域呈哑铃状,两瓣方向相反m1重叠方向决定键型类别s1σ键沿键轴方向,电子云集中在轴间pi1π键垂直键轴方向,电子云分布在轴上下方
4第 4 页 · p轨域的两种重叠方式

分子轨域的电子填充

电子填充遵循三条规则,按顺序依次生效,决定分子磁性与导电性。

1
排能级序列
把分子轨域按能量从低到高排队
2
泡利卡容量
每个轨域最多容纳2个自旋相反的电子
3
洪特求平行
等能轨域先各填1个平行自旋电子
4
数未配对
未配对电子数决定顺磁或抗磁
5第 5 页 · 分子轨域的电子填充

H₂ vs He₂:为什么He₂不存在

键级计算解释H₂稳定而He₂不稳定

H₂ vs He₂:为什么He₂不存
键级计算解释H₂稳定而He₂不稳定
6第 6 页 · H₂ vs He₂:为什么He₂不存在

能带理论入门

上页是2原子→2个分子轨域(1个原子轨域分裂为2个)。现在把N推向极限:把10²²个原子塞进1 cm³的固体——同种轨域全部组合,结果会怎样?

N原子 → N个分子轨域
N个原子的同种轨域线性组合,得到N个MO;能量各异但间隔极小
能带:连续的允许区
N极大(10²²)时,相邻MO能量差仅10⁻²² eV量级,宏观看就像一条连续的'能带'
禁带:能带间的空隙
能带之间存在电子无法占据的能量区间——禁带(band gap)
一排紧挨着的座位对应 →N个能量密集的分子轨域

1个座位是离散的点;满座后座位密到看不出间隔——N个MO能量差极小时,就像一条连续的'带'

7第 7 页 · 能带理论入门

d轨域的五种空间取向

按叶瓣相对xyz轴的位置,把5种d轨域分成「轴间」和「轴上」两类来看

图解渲染中…
g1叶瓣夹在两根坐标轴之间g2叶瓣正对坐标轴n5dz²除上下两瓣外,还有一圈环形电子云
8第 8 页 · d轨域的五种空间取向

八面体场d轨域分裂

从左到右读:5个简并d轨域进入八面体场后分裂为t2g与eg两组,能隙Δo决定配合物颜色与磁性。

图解渲染中…
A3dxy、dxz、dyz,能量较低A4dz²、dx²-y²,能量较高A5Δo大→低自旋;Δo小→高自旋
9第 9 页 · 八面体场d轨域分裂

三种配位几何的d轨域分裂

同源立方对称却分裂相反——八面体 eg↑,四面体 e↓,顺序记混就全错。

八面体场
  • 6 配体沿 ±x ±y ±z 直指 d 轨域
  • eg 升(dx²-y², dz²),t2g 降,2 高 3 低
  • Δo 最大,是其他场的比较基准
  • 配体数最多,整体场强最强
四面体场
  • 4 配体指向立方体棱中点(错开轴)
  • e 降(dz², dx²-y²),t2 升,顺序颠倒
  • Δt = 4/9 Δo,明显小于 Δo
  • 配体少、距离远,场弱易高自旋
八面体是基准:eg 升、t2g 降,Δo 最大。四面体颠倒:e 降、t2 升,Δt = 4/9 Δo。方形平面是八面体畸变,d 分四层。
10第 10 页 · 三种配位几何的d轨域分裂

晶体场vs配位场理论

上一页画出了三种配位几何下的d轨域分裂图,但你有没有想过——配体到底靠什么把这些轨域劈开?纯静电排斥?还是还有别的机制?这就引出两个模型的较量。

晶体场理论CFT
把配体看成点电荷或偶极子,纯静电模型
配位场理论LFT
在静电基础上加入d轨域与配体轨域重叠
预测一致性
常见几何下两者给出相同的d轨域分裂模式
LFT的额外能力
解释中性CO强场、电子云膨胀等CFT无能为力的现象
只看账本的会计对应 →CFT

CFT只算电荷排斥,像会计只对进出账;LFT还把共价重叠这本感情账也算进去

11第 11 页 · 晶体场vs配位场理论

配合物为什么有颜色

上一页把d轨域劈成了t2g和eg两层,中间留了一道能隙Δ₀。这道缝有多大?正好决定颜色。

d-d跃迁
t2g电子吸收光子,跃迁到高能的eg
Δ₀正好落在可见光
典型Δ₀~10000-30000 cm⁻¹,正对可见光能量
看到的是互补色
白光被「减掉」吸收波长,余下互补色被看到
上楼梯对应 →d电子跃迁

Δ₀就是台阶高度;光子能量必须正好等于这个高度,电子才能被踢上去

Δ0=hν=hcλ\Delta_0 = h\nu = \dfrac{hc}{\lambda}
12第 12 页 · 配合物为什么有颜色

影响Δ的因素

三因素共同决定Δ大小:氧化态、配体场强、几何构型。从根节点向下展开因果。

图解渲染中…
A1d轨域分裂能,决定吸收波长与自旋态D1I⁻<Br⁻<Cl⁻<F⁻<OH⁻<H₂O<NH₃<CN⁻<COC1高氧化态→核吸引增强→d电子距核更近E1平面四方Δ最大;八面体作对比基线
13第 13 页 · 影响Δ的因素

常见配体的场强排序

光谱化学序列不是字母表,而是按配体与金属d轨道的相互作用分成三档。

1
π给体削弱Δ
卤离子与OH⁻的pπ把电子推给金属t2g,Δ被压缩
2
纯σ给体作基准
H₂O、NH₃无π作用,σ电子对只进入eg,Δ为中段参照
3
σ增强型配体
en以双齿配位多贡献一对σ,Δ略增但量级未变
4
π受体大幅拉开Δ
NO₂⁻、CN⁻用π*空轨道拉走金属d电子,Δ跃迁一个数量级
14第 14 页 · 常见配体的场强排序

颜色自测

点击作答

同为 Co³⁺ 的八面体配合物,为何 [Co(NH₃)₆]³⁺ 显黄橙而 [CoF₆]³⁻ 显蓝?

15第 15 页 · 颜色自测

磁性来源:未成对电子

上一页用分子轨域解释了颜色与导电。磁性也是同一套语言的延伸——关键变量从「能隙大小」换成「电子是否成对」。

每个电子都是小磁针
自旋产生固有磁矩,单个未成对电子约1.73玻尔磁子(BM)
成对电子磁矩抵消
↑↓配对时自旋方向相反,外磁场下净磁矩为零
自旋磁矩公式
μ = √n(n+2) BM,n = 未成对电子数
典型n值对应的μ
n=1:1.73, n=2:2.83, n=3:3.87, n=4:4.90, n=5:5.92
两块条形磁铁粘在一起对应 →成对电子磁矩抵消

N极对S极粘死后对外不显磁性;单独一块磁铁就是完整磁矩——对应未成对电子

μs.o.=n(n+2) BM\mu_{s.o.} = \sqrt{n(n+2)}\ \text{BM}
16第 16 页 · 磁性来源:未成对电子

高自旋 vs 低自旋

同样的 d⁶,[Fe(H₂O)₆]²⁺ 有 4 个未成对电子(顺磁),[Fe(CN)₆]⁴⁻ 一个都没有(抗磁)——为什么?

高自旋
  • 判定条件:Δo < P(成对能更大)
  • 填充策略:先分散占满五个 d 轨道
  • 未成对电子:取最大(d⁶→4)
  • 典型配体:F⁻、H₂O(弱场)
低自旋
  • 判定条件:Δo > P(分裂能更大)
  • 填充策略:先在 t₂g 内配对再升级
  • 未成对电子:取最小(d⁶→0)
  • 典型配体:CN⁻、CO(强场)
裁决谁主导:Δo > P 走低自旋,Δo < P 走高自旋。d⁴⁻⁷ 才有分歧,d¹⁻³、d⁸⁻¹⁰ 两种排布相同。
17第 17 页 · 高自旋 vs 低自旋

d⁴~d⁷电子的自旋判断

d⁴~d⁷ 是高自旋/低自旋判断真正派上用场的区间,按四步走完。

1
比较P与Δ
先把成对能P和晶体场分裂能Δ比大小,定下走哪条路
2
弱场·高自旋
t₂g先占3个,剩余电子平摊进eg轨道,不急着配对
3
强场·低自旋
电子挤在t₂g里配对,eg能空就尽量空着
4
数未成对电子
从终态图直接数孤电子,对照磁矩判断顺磁/抗磁
18第 18 页 · d⁴~d⁷电子的自旋判断

导电性:能带填充说了算

能带已成形,现在追问:什么情况下能带能导电?关键不在带本身,而在满带与空带之间的那道「墙」——禁带宽度。

满带电子无法迁移
能带被完全填满,每个量子态都有人占,电子没有空的「座位」可以跳过去
空带无人可用
上层能带全空,看似宽敞,但没有载流子,电流也无从形成
禁带宽度决定类型
Eg 较小(<~3 eV)为半导体,热激发可跨越;Eg 较大则成绝缘体
导体:禁带消失
金属能带重叠或部分填充,电子无须翻墙即可在带内自由迁移
满员停车场与空荡高架路对应 →满带、空带与禁带宽度

满停车场=满带;空高架=空带;矮墙(半导体)热了能翻越;高墙(绝缘体)翻不过;停车场直通高架=金属

σeEg/2kBT\sigma \propto e^{-E_g/2k_BT}
19第 19 页 · 导电性:能带填充说了算

导体、绝缘体、半导体的区别

沿决策树读:价带填满否→能隙多大→材料类别。

图解渲染中…
F价带是最高已占电子的能带C1费米面切过这条半填能带C2如Mg:3s带满但与3p带重叠BEg:导带底与价带顶能量差
20第 20 页 · 导体、绝缘体、半导体的区别

导电性判断

点击作答

TiO₂(Ti为d⁰)是绝缘体,Fe₂O₃(Fe为d⁵)是半导体。从能带结构看,导电性差异的关键是:

21第 21 页 · 导电性判断

塑料导电:难以置信的事实

共轭π系统使有机聚合物具有导电潜力

塑料导电:难以置信的事实
共轭π系统使有机聚合物具有导电潜力
22第 22 页 · 塑料导电:难以置信的事实

共轭体系的π能带

从左到右看聚乙炔的π能带如何从单个p轨道逐步扩展为跨越整链的连续能带。

图解渲染中…
Cp轨道侧向重叠,不是头碰头(头碰头是σ键)EN很大时能级间距趋近零,孤立能级合并成连续π能带F每个C贡献1个π电子,N个C共N个电子,刚好填半带
23第 23 页 · 共轭体系的π能带

掺杂改变导电性

满带如何被碘「挖空」成金属,电阻率直降9个数量级。

1
纯聚乙炔:满带困局
π带全满、π*带全空,没有可动的净载流子
2
碘是电子强盗
I₂作强氧化剂,主动从π带抢走电子
3
π带被挖出空穴
原本填满的价带出现空位,变成部分填充
4
部分填充即金属
电子在部分填充带自由迁移,符合导体判据
5
电阻率直降9个量级
从10⁹ Ω·cm级别跌到10⁰–10² Ω·cm
24第 24 页 · 掺杂改变导电性

导体、半导体、绝缘体聚合物

同为聚合物:聚乙烯是绝缘体,掺杂聚乙炔却能像金属一样导电。差别就藏在能带里。

聚乙烯
  • 结构:sp³碳链,仅有σ单键
  • 能带:σ成键带与反键带间隔极大(≈7 eV)
  • 电子:价带全满,导带全空
  • 性质:典型绝缘体
掺杂聚乙炔
  • 结构:sp²碳链,π电子沿链离域
  • 能带:π带窄,掺杂引入中间能级
  • 电子:掺杂提供空穴或自由电子
  • 性质:电导率接近金属
导电与否不取决于「是不是塑料」,而在于有没有可流动的载流子。
25第 25 页 · 导体、半导体、绝缘体聚合物

MO理论统一解释三大性质

  • 三性质同源于电子在MO中的分布
  • 三个旋钮:能隙Δ、能带填充、配对能P
  • Δ vs P 竞争决定高/低自旋态
  • 同一套MO语言统一原子、配合物与晶体
延伸主题:强关联体系:Mott绝缘体光电材料:能隙工程的实战单分子磁体与量子磁性
26第 26 页 · MO理论统一解释三大性质

深入思考题

先独立思考再看参考答案——好的问题比答案更值得琢磨。

1从能带角度解释,为什么Ti³⁺(d¹)有颜色而Zn²⁺(d¹⁰)无色?

参考答案Ti³⁺的t₂g能带半满,电子可吸收可见光发生d-d跃迁;Zn²⁺的d能带全满,HOMO-LUMO能隙对应紫外光而非可见光,故无色。

2如果把Ti³⁺换成Ti⁴⁺(d⁰),它还会有颜色吗?为什么?

参考答案不会。Ti⁴⁺是d⁰,d能带全空,最低能量跃迁是LMCT电荷转移,落在紫外区,肉眼无色(TiO₂是白色)。

3能带理论原本为金属固体设计,借用到单分子配合物时,这种类比的边界在哪里?

参考答案严格意义上的能带需要原子周期性排列才成立;单分子配合物的本质仍是分立的分子轨道。'能带'在此是形象类比,定量描述仍需回归分子轨道能级图。

27第 27 页 · 深入思考题