teori medan kristal
Post on 04-Aug-2015
95 Views
Preview:
TRANSCRIPT
Teori medan kristalDari Wikipedia bahasa Indonesia, ensiklopedia bebas
Belum Diperiksa
Teori medan kristal (Bahasa Inggris: Crystal Field Theory), disingkat CFT, adalah sebuah model yang
menjelaskan struktur elektronik dari senyawa logam transisi yang semuanya dikategorikan
sebagai kompleks koordinasi. CFT berhasil menjelaskan beberapa sifat-sifat magnetik,
warna, entalpi hidrasi, dan struktur spinel senyawa kompleks dari logam transisi, namun ia tidak ditujukan
untuk menjelaskan ikatan kimia. CFT dikembangkan oleh fisikawan yang bernama Hans Bethe dan John
Hasbrouck van Vleck pada tahun 1930-an. CFT pada akhirnya digabungkan dengan teori orbital molekul,
membentuk teori medan ligan yang lebih akurat dan menjelaskan proses ikatan kimia pada senyawa
kompleks logam transisi.
Daftar isi
[sembunyikan]
1 Tinjauan analisis teori medan kristal
o 1.1 Spin-tinggi dan spin-rendah
2 Energi stabilisasi medan kristal
3 Warna kompleks logam transisi
o 3.1 Warna-warna yang terlihat
4 Diagram pemisahan medan kristal
5 Referensi
6 Lihat pula
[sunting]Tinjauan analisis teori medan kristal
Menurut CFT, interaksi antara logam transisi dan ligan diakibatkan oleh tarikan antara kation logam yang
bermuatan positif dan elektron bukan-ikatan ligan yang bermuatan negatif. Teori ini dikembangkan menurut
perubahan energi dari lima degenerat orbital- d ketika dikelilingi oleh ligan-ligan. Ketika ligan mendekati ion
logam, elektron dari ligan akan berdekatan dengan beberapa orbital-d logam dan menjauhi yang lainnya,
menyebabkan hilangnya kedegeneratan (degeneracy). Elektron dari orbital-d dan dari ligan akan saling
tolak menolak. Oleh karena itu, elektron-d yang berdekatan dengan ligan akan memiliki energi yang lebih
besar dari yang berjauhan dengan ligan, menyebabkan pemisahan energi orbital-d. Pemisahan ini
dipengaruhi oleh faktor-faktor berikut:
sifat-sifat ion logam.
keadaaan oksidasi logam. Keadaan oksidasi yang lebih besar menyebabkan pemisahan yang lebih
besar.
susunan ligan disekitar ion logam.
sifat-sifat ligan yang mengelilingi ion logam. Efek ligan yang lebih kuat akan menyebabkan perbedaan
energi yang lebih besar antara orbital 3d yang berenergi tinggi dengan yang berenergi rendah.
Struktur kompleks yang paling umum adalah oktahedon; dalam struktur ini, enam ligan membentuk
oktahedron di sekitar ion logam. Pada simetri oktahedron, orbital-d akan berpisah menjadi dua kelompok
energi dengan perbedaan energi Δoct. Orbital dxy, dxz dan dyz akan memiliki energi yang lebih rendah
daripada orbital dz2 and dx
2-y
2. Hal ini dikarenakan orbital dxy, dxz dan dyzmemiliki posisi yang lebih jauh dari
ligan-ligan, sehingga mendapatkan gaya tolak yang lebih kecil. Kompleks tetrahedron juga merupakan
struktur yang umum; dalam struktur ini, empat ligan membentuk tetrahedron disekitar ion logam. Dalam
pemisahan medan kristal tetrahedron, orbital-d kembail berpisah menjadi dua kelompok dengan perbedaan
energi Δtet. Orbital dz2 dan dx
2-y
2akan memiliki energi orbital yang lebih rendah, dan dxy, dxz dan dyz akan
memiliki energi orbital yang lebih tinggi. Hal bertolak belakang dengan struktur oktahedron. Selain itu,
dikarenakan elektron ligan pada simetri tetrahedal tidaklah berorientasi pada orbital-orbital-d, pemisahan
energi akan lebih kecil daripada pemisahan energi oktaherdal. Struktur geometri datar persegi juga dapat
dideskripsikan oleh CFT.
Besarnya perbedaan energi Δ antara dua kelompok orbital tergantung pada beberapa faktor, seperti sifat-
sifat ligan dan struktur geometri kompleks. Beberapa ligan selalu menghasilkan nilai Δ yang kecil,
sedangkan beberapa lainnya akan selalu menghasilkan nilai yang lebih besar. Alasan di balik perbedaan
ini dapat dijelaskan dengan teori ligan medan. Deret spektrokimia adalah daftar-daftar ligan yang disusun
berdasarkan perbedaan energi Δ yang dihasilkan (disusun dari Δ yang kecil ke Δ yang besar):
I − < Br − < S 2− < SCN − < Cl − < NO3− < N3
− < F − < OH − < C2O42− < H2O < NCS − < CH3CN < py < NH3 < en < 2,2'
-bipiridina < phen < NO2− < PPh3 < CN − < CO
Keadaan oksidasi logam juga memengaruhi besarnya Δ antara aras energi (energy level) yang tinggi dan
rendah. Semakin tinggi keadaan oksidasi logam, semakin tinggi pula Δ. Kompleks V3+akan memiliki Δ yang
lebih besar dari kompleks V2+. Hal ini dikarenakan perbedaan rapatan muatan yang mengijinkan ligan lebih
dekat dengan ion V3+ daripada ion V2+. Jarak antar ligan dan ion logam yang lebih kecil akan menyebabkan
nilai Δ yang lebih besar karena elektron logam dan ligan lebih berdekatan, sehingga gaya tolak menolak
menjadi lebih besar.
[sunting]Spin-tinggi dan spin-rendah
Diagram medan kristal [Fe(NO2)6]3−
Ligan-ligan yang menyebabkan Δ pemisahan orbital- d yang lebih besar disebut sebagai ligan-ligan medan
kuat, seperti CN− dan CO. Senyawa kompleks yang memiliki ligan medan kuat tidak akan menempatkan
elektron-elektronnya ke orbital yang berenergi tinggi. Hal ini sesuai denganasas Aufbau. Kompleks yang
demikian disebut sebagai "spin-rendah". Sebagai contoh, NO2− yang merupakan ligan medan kuat,
menghasilkan Δ yang besar. Ion oktahedron [Fe(NO2)6]3− yang memiliki 5 electron-d akan memiliki diagram
pemisahan oktahedron yang kelima elektronnya berada di aras t2g.
Diagram medan kristal [FeBr6]3−
Sebaliknya, ligan-ligan (seperti I− dan Br−) yang menghasilkan Δ orbital-d yang kecil disebut ligan medan
lemah. Dalam kasus ini, adalah lebih mudah menempatkan elektron di aras energi orbital yang lebih tinggi
daripada menempatkan dua elektron pada orbital yang sama. Ini dikarenakan gaya tolak antar dua elektron
lebih besar daripada Δ. Oleh karena itu, masing-masing elektron akan ditempatkan pada setiap orbital-
d terlebih dahulu sebelum dipasangkan. Hal ini sesuai dengan kaidah Hund dan menghasilan kompleks
"spin-tinggi". Sebagai contoh, Br− adalah ligan medan lemah dan menghasilkan Δoct yang lebih kecil.
Makan, ion [FeBr6]3−, yang juga memiliki 5 elektron-d, akan memiliki diagaram pemisahan elektron yang
kelima orbitalnya dipenuhi secara tunggal.
Agar pemisahan spin rendah terjadi, energi yang dibutuhkan untuk menempatkan elektron ke orbital yang
sudah berlektron tunggal harus lebih kecil dari energi yang dibutuhkan untuk menempatkan elektron
tambahan ke orbital eg sebesar Δ. Jika energi yang diperlukan untuk memasangkan dua elektron lebih
besar dari menempatkan satu elektron di orbital eg, pemisahan spin tinggi akan terjadi.
Energi pemisahan medan kristal untuk kompleks logam tetrahedron (empat ligan), Δtet, kira-kira sama
dengan 4/9Δoct. Oleh karena itu, energi yang diperlukan untuk memasangkan dua elektron biasanya lebih
besar dari energi yang diperlukan untuk menempatkan elektron di orbital yang berenergi lebih tinggi.
Sehingga, kompleks tetrahedron biasanya merupakan spin-tinggi.
Diagram pemisahan ini dapat membantu kita dalam memprediksikan sifat-sifat magnetik dari senyawa
koordinasi. Senyawa yang memiliki elektron yang takberpasangan pada diagram pemisahannya bersifat
paramagnetik dan akan ditarik oleh medan magnet. Sedangkan senyawa yang tidak memiliki elektron
takberpasangan pada diagram pemisahannya bersifat diamagnetik dan akan ditolak oleh medan magnet.
[sunting]Energi stabilisasi medan kristal
Energi stabilisasi medan kristal (Bahasa Inggris:crystal field stabilization energy), disingkat CFSE, adalah
stabilitas yang dihasilkan dari penempatan ion logam pada medan kristak yang dibentuk oleh sekelompok
ligan-ligan. Ia muncul karena ketika orbital- d terpisah pada medan ligan, beberapa dari orbital itu akan
memiliki energi yang lebih rendah. Sebagai contoh, pada kasus oktahedron, kelompok orbital t2g memiliki
energi yang lebih rendah dari energi orbital pada sentroid. Sehingga, jika terdapat sembarang elektron
yang menempati orbital-orbital ini, ion logam akan menjadi lebih stabil pada medan ligan relatif terhadap
sentroid dengan nilai yang dikenal sebagai CFSE. Sebaliknya, orbital-orbital eg (pada kasus oktaheral)
memiliki energi yang lebih tinggi daripada sentroid, sehingga menempatkan elektron pada orbital tersebut
menurunkan CFSE.
Energi stabilisasi medan kristal oktahedron
Jika pemisahan orbital-d pada medan oktahedron adalan Δoct, tiga orbital t2g distabilkan relatif terhadap
sentroid sebesar 2/5 Δoct, dan orbital-orbital eg didestabilkan sebesar 3/5 Δoct.
Stabilisasi medan kristal dapat digunakan dalam menjelaskan geometri kompleks logam transisi. Alasan
mengapa banyak kompleks d8 memiliki geometri datar persegi adalah karena banyaknya stabilisasi medan
kristal yang dihasilkan struktur geometri ini dengan jumlah elektron 8.
[sunting]Warna kompleks logam transisi
Warna-warna cerah yang terlihat pada kebanyakan senyawa koordinasi dapat dijelaskan dengan teori
medan kristal ini. Jika orbital- d dari sebuah kompleks berpisah menjadi dua kelompok seperti yang
dijelaskan di atas, maka ketika molekul tersebut menyerap foton dari cahaya tampak, satu atau lebih
elektron yang berada dalam orbital tersebut akan meloncat dari orbital-d yang berenergi lebih rendah ke
orbital-d yang berenergi lebih tinggi, menghasilkan keadaam atom yang tereksitasi. Perbedaan energi
antara atom yang berada dalam keadaan dasar dengan yang berada dalam keadaan tereksitasi sama
dengan energi foton yang diserap dan berbanding terbalik dengan gelombang cahaya. Karena hanya
gelombang-gelombang cahaya (λ) tertentu saja yang dapat diserap (gelombang yang memiliki energi sama
dengan energi eksitasi), senyawa-senyawa tersebut akan memperlihatkan warna komplementer
(gelombang cahaya yang tidak terserap).
Seperti yang dijelaskan di atas, ligan-ligan yang berbeda akan menghasilkan medan kristal yang energinya
berbeda-beda pula, sehingga kita bisa melihat warna-warna yang bervariasi. Untuk sebuah ion logam,
medan ligan yang lebih lemah akan membentuk kompleks yang Δ-nya bernilai rendah, sehingga akan
menyerap cahaya dengan λ yang lebih panjang dan merendahkan frekuensi ν. Sebaliknya medan ligan
yang lebih kuat akan menghasilkan Δ yang lebih besar, menyerap λ yang lebih pendek, dan
meningkatkan ν. Sangtalah jarang energi foton yang terserap akan sama persis dengan perbedaan energi
Δ; terdapat beberapa faktor-faktor lain seperti tolakan elektron dan efek Jahn-Teller yang akan
memengaruhi perbedaan energi antara keadaan dasar dengan keadaan tereksitasi.
[sunting]Warna-warna yang terlihat
Roda warna
Roda warna mendemonstrasikan warna senyawa yang akan terlihat jika ia hanya menyerap satu
gelombang cahaya. Sebagai contoh, jika senyawa tersebut menyerap warna merah, maka ia akan tampak
hijau.
λ diserap vs warna terpantau
400nm Ungu diserap, Hijau-kuning terpantau (λ 560nm)
450nm Blue diserap, Kuning terpantau (λ 600nm)
490nm Biru-hijau diserap, Merah terpantau (λ 620nm)
570nm Kuning-hijau diserap, Ungu terpantau (λ 410nm)
580nm Kuning diserap, Biru tua terpantau (λ 430nm)
600nm Jingga diserap, Biru terpantau (λ 450nm)
650nm Merah diserap, Hijau terpantau (λ 520nm)
[sunting]Diagram pemisahan medan kristal
Diagram pemisahan medan kristal
Oktahedral Bipiramida pentagonal Antiprismatik persegi
Datar persegi Piramida persegi Tetrahedral
Bipiramida trigonal
[sunting]Referensi
Zumdahl, Steven S. Chemical Principles Fifth Edition. Boston: Houghton Mifflin Company, 2005. 550-
551,957-964.
Silberberg, Martin S. Chemistry: The Molecular Nature of Matter and Change, Fourth Edition. New
York: McGraw Hill Company, 2006. 1028-1034.
D. F. Shriver and P. W. Atkins Inorganic Chemistry 3rd edition, Oxford University Press, 2001. Pages:
227-236.
Housecroft, C. E. and Sharpe, A. G. (2005) Inorganic Chemistry 2nd edition, England: Pearson
Education Limited. ISBN 0-13-039913-2
Miessler, G. L. and Tarr, D. A. (2003) Inorganic Chemistry 3rd edition, New Jersey: Pearson Prentice
Hall. ISBN 0-13-035471-6
Teori medan kristal (Bahasa Inggris: Crystal Field Theory), disingkat CFT, adalah sebuah model
yang menjelaskan struktur elektronik dari senyawa logam transisi yang semuanya dikategorikan
sebagai kompleks koordinasi. CFT berhasil menjelaskan beberapa sifat-sifat magnetik, warna,
entalpi hidrasi, dan struktur spinel senyawa kompleks dari logam transisi, namun ia tidak
ditujukan untuk menjelaskan ikatan kimia. CFT dikembangkan oleh fisikawan yang bernama
Hans Bethe dan John Hasbrouck van Vleck pada tahun 1930-an. CFT pada akhirnya
digabungkan dengan teori orbital molekul, membentuk teori medan ligan yang lebih akurat dan
menjelaskan proses ikatan kimia pada senyawa kompleks logam transisi.
Tinjauan analisis teori medan kristal
Menurut CFT, interaksi antara logam transisi dan ligan diakibatkan oleh tarikan antara kation
logam yang bermuatan positif dan elektron bukan-ikatan ligan yang bermuatan negatif. Teori ini
dikembangkan menurut perubahan energi dari lima degenerat orbital-d ketika dikelilingi oleh
ligan-ligan. Ketika ligan mendekati ion logam, elektron dari ligan akan berdekatan dengan
beberapa orbital-d logam dan menjauhi yang lainnya, menyebabkan hilangnya kedegeneratan
(degeneracy). Elektron dari orbital-d dan dari ligan akan saling tolak menolak. Oleh karena itu,
elektron-d yang berdekatan dengan ligan akan memiliki energi yang lebih besar dari yang
berjauhan dengan ligan, menyebabkan pemisahan energi orbital-d. Pemisahan ini dipengaruhi
oleh faktor-faktor berikut:
sifat-sifat ion logam.
keadaaan oksidasi logam.
Keadaan oksidasi yang lebih besar menyebabkan pemisahan yang lebih besar.
susunan ligan disekitar ion logam.
sifat-sifat ligan yang mengelilingi ion logam.
Efek ligan yang lebih kuat akan menyebabkan perbedaan energi yang lebih besar antara orbital
3d yang berenergi tinggi dengan yang berenergi rendah.
Struktur kompleks yang paling umum adalah oktahedon; dalam struktur ini, enam ligan
membentuk oktahedron di sekitar ion logam. Pada simetri oktahedron, orbital-d akan berpisah
menjadi dua kelompok energi dengan perbedaan energi Δoct. Orbital dxy, dxz dan dyz akan
memiliki energi yang lebih rendah daripada orbital dz2 and dx2-y2. Hal ini dikarenakan orbital
dxy, dxz dan dyz memiliki posisi yang lebih jauh dari ligan-ligan, sehingga mendapatkan gaya
tolak yang lebih kecil. Kompleks tetrahedron juga merupakan struktur yang umum; dalam
struktur ini, empat ligan membentuk tetrahedron disekitar ion logam. Dalam pemisahan medan
kristal tetrahedron, orbital-d kembail berpisah menjadi dua kelompok dengan perbedaan energi
Δtet. Orbital dz2 dan dx2-y2 akan memiliki energi orbital yang lebih rendah, dan dxy, dxz dan dyz
akan memiliki energi orbital yang lebih tinggi. Hal bertolak belakang dengan struktur oktahedron.
Selain itu, dikarenakan elektron ligan pada simetri tetrahedal tidaklah berorientasi pada orbital-
orbital-d, pemisahan energi akan lebih kecil daripada pemisahan energi oktaherdal. Struktur
geometri datar persegi juga dapat dideskripsikan oleh CFT.
Besarnya perbedaan energi Δ antara dua kelompok orbital tergantung pada beberapa faktor,
seperti sifat-sifat ligan dan struktur geometri kompleks. Beberapa ligan selalu menghasilkan nilai
Δ yang kecil, sedangkan beberapa lainnya akan selalu menghasilkan nilai yang lebih besar.
Alasan di balik perbedaan ini dapat dijelaskan dengan teori ligan medan. Deret spektrokimia
adalah daftar-daftar ligan yang disusun berdasarkan perbedaan energi Δ yang dihasilkan
(disusun dari Δ yang kecil ke Δ yang besar):
I− < Br− < S2− < SCN− < Cl− < NO3− < N3− < F− < OH− < C2O42− < H2O < NCS− < CH3CN <
py < NH3 < en < 2,2′-bipiridina < phen < NO2− < PPh3 < CN− < CO
Keadaan oksidasi logam juga mempengaruhi besarnya Δ antara aras energi (energy level) yang
tinggi dan rendah. Semakin tinggi keadaan oksidasi logam, semakin tinggi pula Δ. Kompleks V3+
akan memiliki Δ yang lebih besar dari kompleks V2+. Hal ini dikarenakan perbedaan rapatan
muatan yang mengijinkan ligan lebih dekat dengan ion V3+ daripada ion V2+. Jarak antar ligan
dan ion logam yang lebih kecil akan menyebabkan nilai Δ yang lebih besar karena elektron
logam dan ligan lebih berdekatan, sehingga gaya tolak menolak menjadi lebih besar.
Spin-tinggi dan spin-rendah
Ligan-ligan yang menyebabkan Δ pemisahan orbital-d yang lebih besar disebut sebagai ligan-
ligan medan kuat, seperti CN− dan CO. Senyawa kompleks yang memiliki ligan medan kuat
tidak akan menempatkan elektron-elektronnya ke orbital yang berenergi tinggi. Hal ini sesuai
dengan asas Aufbau. Kompleks yang demikian disebut sebagai “spin-rendah”. Sebagai contoh,
NO2− yang merupakan ligan medan kuat, menghasilkan Δ yang besar. Ion oktahedron
[Fe(NO2)6]3− yang memiliki 5 electron-d akan memiliki diagram pemisahan oktahedron yang
kelima elektronnya berada di aras t2g.
Sebaliknya, ligan-ligan (seperti I− dan Br−) yang menghasilkan Δ orbital-d yang kecil disebut
ligan medan lemah. Dalam kasus ini, adalah lebih mudah menempatkan elektron di aras energi
orbital yang lebih tinggi daripada menempatkan dua elektron pada orbital yang sama. Ini
dikarenakan gaya tolak antar dua elektron lebih besar daripada Δ. Oleh karena itu, masing-
masing elektron akan ditempatkan pada setiap orbital-d terlebih dahulu sebelum dipasangkan.
Hal ini sesuai dengan kaidah Hund dan menghasilan kompleks “spin-tinggi”. Sebagai contoh,
Br− adalah ligan medan lemah dan menghasilkan Δoct yang lebih kecil. Makan, ion [FeBr6]3−,
yang juga memiliki 5 elektron-d, akan memiliki diagaram pemisahan elektron yang kelima
orbitalnya dipenuhi secara tunggal.
Agar pemisahan spin rendah terjadi, energi yang dibutuhkan untuk menempatkan elektron ke
orbital yang sudah berlektron tunggal harus lebih kecil dari energi yang dibutuhkan untuk
menempatkan elektron tambahan ke orbital eg sebesar Δ. Jika energi yang diperlukan untuk
memasangkan dua elektron lebih besar dari menempatkan satu elektron di orbital eg,
pemisahan spin tinggi akan terjadi.
Energi pemisahan medan kristal untuk kompleks logam tetrahedron (empat ligan), Δtet, kira-kira
sama dengan 4/9Δoct. Oleh karena itu, energi yang diperlukan untuk memasangkan dua
elektron biasanya lebih besar dari energi yang diperlukan untuk menempatkan elektron di orbital
yang berenergi lebih tinggi. Sehingga, kompleks tetrahedron biasanya merupakan spin-tinggi.
Diagram pemisahan ini dapat membantu kita dalam memprediksikan sifat-sifat magnetik dari
senyawa koordinasi. Senyawa yang memiliki elektron yang takberpasangan pada diagram
pemisahannya bersifat paramagnetik dan akan ditarik oleh medan magnet. Sedangkan senyawa
yang tidak memiliki elektron takberpasangan pada diagram pemisahannya bersifat diamagnetik
dan akan ditolak oleh medan magnetMedan Lemah Medan Kuat
dn Konfigurasi elektron
dn Konfigurasi elektron
d1
d2
d3
d4
d5
d6
d7
d8
d9
d10
t2g1 eg0
t2g2 eg0
t2g3 eg0
t2g3 eg1
t2g3 eg2
t2g4 eg2
t2g5 eg2
t2g6 eg2
t2g6 eg3
t2g6 eg4
d1
d2
d3
d4
d5
d6
d7
d8
d9
d10
t2g1 eg0
t2g2 eg0
t2g3 eg0
t2g4 eg0
t2g5 eg0
t2g6 eg0
t2g6 eg1
t2g6 eg2
t2g6 eg3
t2g6 eg4
top related