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