第二节Jahn—Teller形变

1、第二节第二节 JahnJahnTellerTeller形变形变 The form change of the JahnThe form change of the Jahn-Teller-Teller一、一、JahnJahn Teller Teller效应效应二、对八面体配合物二、对八面体配合物d d电子结构的讨论电子结构的讨论三、大畸变与小畸变三、大畸变与小畸变一、一、JahnJahn Teller Teller效应效应 JahnJahn-Teller effect-Teller effect spinspin 大量实验证实，配位数为大量实验证实，配位数为 6 6 的过渡金属配合物，并非都是

2、理想的正的过渡金属配合物，并非都是理想的正八面体构型，有许多是变了形的八面体。八面体构型，有许多是变了形的八面体。 对于三硝基三氨合钴对于三硝基三氨合钴()()配合物，因其配配合物，因其配体形成的配位场情况不同，使得其并为非理想体形成的配位场情况不同，使得其并为非理想的正八面体还好理解。的正八面体还好理解。 但是，对于六水合铁但是，对于六水合铁()()等配合物离子为等配合物离子为何不是何不是非理想的正八面体？非理想的正八面体？y yx xz zCoCo3 3+ +NHNH3 3NHNH3 3NHNH3 3NONO2 2- -NONO2 2- - -O O2 2N N 例如：例如：Fe(HFe(

3、H2 2O)O)6 6 2+ 2+ 、Co(NOCo(NO2 2) )6 6 4-4-、Co(NHCo(NH3 3) )3 3(NO(NO2 2) )3 3 等配合物并非等配合物并非理想的正八面体。理想的正八面体。 1937 1937 年，年，Hermann Arthur JahnHermann Arthur Jahn和和 Edward Teller Edward Teller 根据实验事实经根据实验事实经过推理得出：如果非线型分子电子态的轨函数部分是简并的，则该分子必过推理得出：如果非线型分子电子态的轨函数部分是简并的，则该分子必定发生畸变，消除简并度。定发生畸变，消除简并度。 人们把这种现

4、象称为人们把这种现象称为JahnJahnTellerTeller形变（畸变）或称为形变（畸变）或称为JahnJahnTellerTeller效应效应。1.Jahn Teller1.Jahn Teller效应效应Fe(HFe(H2 2O)O)6 6 2+ 2+ 顺磁性顺磁性（高自旋）（高自旋） 例如：在六水合铁例如：在六水合铁()()配合物离子配合物离子Fe ArFe Ar 3d 3d6 6 4s4s2 2 4p4p0 0FeFe3+3+3d3dd dxyxy d dxzxz d dyzyzE E0 0d dx x2 2-y-y2 2 d dz z2 2八面体场八面体场e eg gt t2g2g

5、 因配合物中因配合物中FeFe2+2+离子的离子的d d轨道轨道受八面体场的静电排斥作用，分受八面体场的静电排斥作用，分裂为裂为t t2g2g和和e eg g两组轨道。而两组轨道。而t t2g2g轨道中电子的填充不均匀，使得其受配体静电轨道中电子的填充不均匀，使得其受配体静电排斥作用必然存在差异，进而导致其再分裂。排斥作用必然存在差异，进而导致其再分裂。 与前例同理，与前例同理，CoCo2+ 2+ 离子的离子的 d d轨轨道受八面体场的静电排斥作用，分道受八面体场的静电排斥作用，分裂为裂为t t2g 2g 和和e eg g 两组轨道。而两组轨道。而e eg g 轨道中电子的填充不均匀，使得其受

6、配体静轨道中电子的填充不均匀，使得其受配体静电排斥作用必然存在差异，进而导致其再分裂。电排斥作用必然存在差异，进而导致其再分裂。 也就是说，八面体配合物产生也就是说，八面体配合物产生JahnJahnTellerTeller形变形变源于中央离子在简并源于中央离子在简并的的 d d 轨道（轨道（t t2g 2g 轨道或轨道或 e eg g 轨道）上电子分布不均。轨道）上电子分布不均。 或者说，或者说，JahnJahnTellerTeller形变形变的产生来源于中央离子的产生来源于中央离子d d 电子结构存在着电子结构存在着简并态（能量相同而电子分布不同的状态）。简并态（能量相同而电子分布不同的状态

7、）。2.Jahn Teller2.Jahn Teller形变的原因形变的原因 例如：六硝基合钴例如：六硝基合钴()()配离子配离子Co(NOCo(NO2 2) )6 6 4- 4- 顺磁性顺磁性（低自旋）（低自旋）Co ArCo Ar 3d 3d7 7 4s4s2 2 4p4p0 0CoCo2+2+3d3dd dxyxy d dxzxz d dyzyzE E0 0d dx x2 2-y-y2 2 d dz z2 2八面体场八面体场e eg gt t2g2g二、对八面体配合物二、对八面体配合物d d电子结构的讨论电子结构的讨论1. d1. d1010、d d8 8、d d3 3 结构结构 若中央

8、原子具有若中央原子具有 d d10 10 结构结构( (全充满状态全充满状态) )，应，应为理想的正八面体。为理想的正八面体。t t2g2gd dxyxy d dxzxz d dyzyzd dx x2 2-y-y2 2 d dz z2 2e eg g 由由JahnJahn Teller Teller形变产生的原因可知，当形变产生的原因可知，当t t2g2g轨道或轨道或e eg g轨道处于全轨道处于全充满、半充满或全空状态，配合物应是理想的正八面体；否则，将为非充满、半充满或全空状态，配合物应是理想的正八面体；否则，将为非正八面体正八面体。 若中央原子具有若中央原子具有 d d8 8 结构，则结

9、构，则t t2g 2g 轨道处于全轨道处于全充满状态，充满状态，e eg g 轨道处于轨道处于半充满状态，同样半充满状态，同样应为理应为理想的正八面体。想的正八面体。t t2g2gd dxyxy d dxzxz d dyzyzd dx x2 2-y-y2 2 d dz z2 2e eg g 若中央原子具有若中央原子具有 d d3 3 结构，则结构，则t t2g 2g 轨道处于半轨道处于半充满状态，充满状态，e eg g 轨道处于轨道处于全空状态，全空状态，应为理想的正应为理想的正八面体。八面体。t t2g2gd dxyxy d dxzxz d dyzyzd dx x2 2-y-y2 2 d d

10、z z2 2e eg g排布排布d dx x2 2-y-y2 2x xy y2. d2. d9 9 结构结构 若中央原子具有若中央原子具有 d d9 9 结构，则结构，则t t2g 2g 轨道处于全充满状态，而轨道处于全充满状态，而e eg g 轨道中轨道中填有三个电子。填有三个电子。 因因d dx x2 2-y-y2 2和和d dz z2 2轨道是简并的，则电子排布可能出现两种方式轨道是简并的，则电子排布可能出现两种方式。(t(t2g2g) )6 6 (d(dz z2 2) )2 2(d(dx x2 2-y-y2 2) )1 1(t(t2g2g) )6 6 (d(dz z2 2) )1 1(

11、d(dx x2 2-y-y2 2) )2 2即：即：d dx x2 2-y-y2 2 d dz z2 2t t2g2gd dxyxy d dxzxz d dyzyze eg gd dx x2 2-y-y2 2 d dz z2 2t t2g2gd dxyxy d dxzxz d dyzyze eg g排布排布排布排布 由于由于 d dx x2 2-y-y2 2 轨道上比轨道上比 d dz z2 2 轨道少了轨道少了 1 1个电个电子，使得其对位于子，使得其对位于x x 和和y y 方向上的四个配方向上的四个配位体推斥力减小，导致这四个配位体相对向内位体推斥力减小，导致这四个配位体相对向内移动，缩

12、短了与中央离子的距离，形成四个较移动，缩短了与中央离子的距离，形成四个较短的键短的键发生畸变发生畸变 或者说，因或者说，因 d dz z2 2 轨道上多了轨道上多了 1 1个电子，使其对个电子，使其对位于位于z z 方向上的两个配位体的推斥力相对较大，方向上的两个配位体的推斥力相对较大，使得这两个配位体相对向外移动，增长了与中央离使得这两个配位体相对向外移动，增长了与中央离子的距离，形成两个较长的键子的距离，形成两个较长的键所谓所谓“拉长拉长”的的八面体。八面体。d dz z2 2y yz zx x 这种配合物畸变的结果，是因配体对这种配合物畸变的结果，是因配体对 d dx x2 2-y-y2

13、 2 轨道上电子的推斥力大于轨道上电子的推斥力大于配体对配体对 d dz z2 2 轨道上电子的推斥力造成的。轨道上电子的推斥力造成的。 这样，必然使得这样，必然使得d dx x2 2-y-y2 2 轨道能级升高，轨道能级升高，d dz z2 2 轨道能级下降，使原来简并轨道能级下降，使原来简并的能级变为非简并。的能级变为非简并。d dx x2 2-y-y2 2 d dz z2 2中央原子中央原子ndndd dxyxy d dxzxz d dyzyzE E0 0正八面体场正八面体场d dxyxy d dxzxz d dyzyzd dx x2 2-y-y2 2d dz z2 2“拉长拉长”的八面

14、体场的八面体场t t2g2ge eg g排布排布 当当e eg g 轨道中电子排布为轨道中电子排布为( d( dz z2 2 ) )1 1( d( dx x2 2-y-y2 2) )2 2 时，因时，因 d dz z2 2 轨道上少了轨道上少了 1 1 个电子减少，则个电子减少，则( d( dz z2 2 ) )1 1 轨道和轨道和( d( dx x2 2-y-y2 2 ) )2 2 轨道上的电子对轨道上的电子对z z 方向上两方向上两个配体的推斥力减小，对个配体的推斥力减小，对x x 和和y y 方向上四个配体的推斥力相对增大，方向上四个配体的推斥力相对增大，进而形成两个短键、四个长键，得到

15、所谓进而形成两个短键、四个长键，得到所谓“压扁压扁”的八面体。的八面体。 这种配合物畸变的结果，是因在这种配合物畸变的结果，是因在x x 和和y y 方向上的四个配体向外移方向上的四个配体向外移动，而动，而z z 方向上两个配体向内移动造成的。方向上两个配体向内移动造成的。 这样，必然使得这样，必然使得 d dx x2 2-y-y2 2 轨道受配体的推斥力小于轨道受配体的推斥力小于 d dz z2 2 轨道受配体的推轨道受配体的推斥力，从而导致斥力，从而导致d dx x2 2-y-y2 2 轨道能级下降，轨道能级下降，d dz z2 2 轨道能级升高，使原来简并的能轨道能级升高，使原来简并的能

16、级变为非简并。级变为非简并。d dx x2 2-y-y2 2 d dz z2 2中央原子中央原子ndndd dxyxy d dxzxz d dyzyzE E0 0正八面体场正八面体场d dxyxy d dxzxz d dyzyzd dx x2 2-y-y2 2d dz z2 2“压扁压扁”的八面体场的八面体场t t2g2ge eg g 在此应注意的是，所谓在此应注意的是，所谓“压扁压扁”与与“拉长拉长”是从视是从视觉方位来说。如果我们转个方位来看，觉方位来说。如果我们转个方位来看，“压扁压扁”则变为则变为“拉长拉长”。反之，亦然。反之，亦然。3. d3. d7 7 结构结构 若中央原子具有若中

17、央原子具有 d d7 7 结构，则结构，则 d d轨道的电子排布轨道的电子排布可分为高自旋排布和可分为高自旋排布和低自旋两种构型低自旋两种构型。即：。即：e eg g (d(dz z2 2) )1 1(d(dx x2 2-y-y2 2) )1 1 ( (半充满半充满) )高自旋高自旋t t2g2g5 5e eg g1 1低自旋低自旋t t2g 2g (d(dxyxy) )2 2(d(dxzxz) )2 2(d(dyzyz) )2 2 ( (全充满全充满) )t t2g 2g (d(dxyxy) )1 1(d(dxzxz) )2 2(d(dyzyz) )2 2高自旋构型高自旋构型 对于高自旋构型

18、，电子排布的不均匀出现在对于高自旋构型，电子排布的不均匀出现在 t t2g 2g 轨道中，而轨道中，而t t2g 2g 轨道轨道中中5 5个电子的排布有三种方式。即：个电子的排布有三种方式。即：t t2g 2g (d(dxyxy) )2 2(d(dxzxz) )1 1(d(dyzyz) )2 2t t2g 2g (d(dxyxy) )2 2(d(dxzxz) )2 2(d(dyzyz) )1 1 若若t t2g2g轨道中电子采取轨道中电子采取 (d(dxyxy) )1 1(d(dxzxz) )2 2(d(dyzyz) )2 2 方式方式排布。排布。 由于由于 d dxyxy 轨道中只填充了轨道

19、中只填充了1 1个电子（其它轨道个电子（其它轨道均填充均填充 2 2 个电子），则个电子），则 d dxyxy 轨道对轨道对x x 和和y y 方方向上四个配体的推斥力相对减小。从而使原来简并向上四个配体的推斥力相对减小。从而使原来简并的的 t t2g 2g 轨道进一步发生分裂而发生轨道进一步发生分裂而发生JahnJahnTellerTeller畸畸变。变。d dxyxyz zx xy yt t2g2gd dxyxye eg gd dxzxz d dyzyze eg g即：即： 同理，对于同理，对于(d(dxyxy) )2 2(d(dxzxz) )1 1(d(dyzyz) )2 2(e(eg

20、g) )2 2 排布或排布或(d(dxyxy) )2 2(d(dxzxz) )2 2(d(dyzyz) )1 1(e(eg g) )2 2 排排布，在相应方向上配体的推斥作用下，也必将导致布，在相应方向上配体的推斥作用下，也必将导致 t t2g 2g 轨道能级发生分轨道能级发生分裂，进而发生裂，进而发生JahnJahnTellerTeller畸变畸变。低自旋构型低自旋构型 对于低自旋构型，电子排布的不均匀出现在对于低自旋构型，电子排布的不均匀出现在 e eg g 轨道中，而轨道中，而 e eg g 轨道轨道中的中的1 1个电子的排布有两种方式。即：个电子的排布有两种方式。即：e eg g (d

21、(dx x2 2-y-y2 2) )1 1(d(dz z2 2) )0 0e eg g (d(dx x2 2-y-y2 2) )0 0(d(dz z2 2) )1 1 与前面讨论与前面讨论d d9 9 结构同理，对于结构同理，对于(d(dx x2 2-y-y2 2) )1 1(d(dz z2 2) )0 0 排布，因排布，因 d dx x2 2-y-y2 2 轨道上轨道上没有电子，对位于没有电子，对位于x x 和和y y 方向上四个配体的推斥力减小，使得这四方向上四个配体的推斥力减小，使得这四个配位体相对向内移动，缩短了与中央离子的距离，得到个配位体相对向内移动，缩短了与中央离子的距离，得到“

22、拉长拉长”的八的八面体。面体。 同理，若同理，若e eg g 轨道中电子采取轨道中电子采取(d(dx x2 2-y-y2 2) )0 0(d(dz z2 2) )1 1 排布，将得到排布，将得到“压扁压扁”的的八面体。八面体。问题思考与练习问题思考与练习6-6 6-6 分析讨论配位数为分析讨论配位数为 4 4 的四面体配合物中，的四面体配合物中，d d9 9 结构及结构及 d d3 3 结构是否会结构是否会发生发生 JahnJahnTeller Teller 畸变？畸变？6-7 6-7 试判断四硫氰根合钴试判断四硫氰根合钴()()配合物离子的空间构型，并讨论其否会发配合物离子的空间构型，并讨论

23、其否会发生生 JahnJahnTeller Teller 畸变？畸变？4. d4. d6 6 结构结构 若中央原子具有若中央原子具有 d d6 6 结构结构，则，则 d d轨道的电子排布轨道的电子排布可分为高自旋排布和可分为高自旋排布和低自旋两种构型低自旋两种构型。即：。即：e eg g (d(dz z2 2) )1 1(d(dx x2 2-y-y2 2) )1 1 ( (半充满半充满) )高自旋高自旋t t2g2g4 4e eg g0 0 ( (全空全空) )低自旋低自旋t t2g 2g (d(dxyxy) )2 2(d(dxzxz) )2 2(d(dyzyz) )2 2 ( (全充满全充满

24、) )低自旋低自旋 对于对于 d d6 6 结构低自旋构型，因结构低自旋构型，因 t t2g2g轨道为全充满，轨道为全充满，e eg g 轨道为全空。所轨道为全空。所以，在正八面体配位场中以，在正八面体配位场中t t2g 2g 轨道和轨道和e eg g 轨道均不发生分裂，其配合物应为轨道均不发生分裂，其配合物应为理想的正八面体。理想的正八面体。 例如：六氰合铁例如：六氰合铁()()配离子配离子FeFeNCNCNCNCCNCNCNCNCNCNCNCNFe(CN)Fe(CN)6 6 4-4-高自旋高自旋 对于对于 d d6 6 结构高自旋构型，其结构高自旋构型，其e eg g 轨道为半充满状态。轨

25、道为半充满状态。t t2g 2g 轨道中轨道中 4 4个个电子的排布可有三种方式。电子的排布可有三种方式。 即：即：t t2g 2g (d(dxyxy) )2 2(d(dxzxz) )1 1(d(dyzyz) )1 1t t2g 2g (d(dxyxy) )1 1(d(dxzxz) )2 2(d(dyzyz) )1 1t t2g 2g (d(dxyxy) )1 1(d(dxzxz) )1 1(d(dyzyz) )2 2 与前面讨论与前面讨论 d d7 7 结构类似，若结构类似，若t t2g2g轨道中电子采轨道中电子采取取 (d(dxyxy) )2 2(d(dxzxz) )1 1(d(dyzyz

26、) )1 1 方式排布。方式排布。 由于由于 d dxyxy 轨道填满了轨道填满了2 2个电子，则个电子，则 d dxyxy 轨道对轨道对x x 和和y y方向上四个配方向上四个配体的推斥力相对较大。从而使原来简并的体的推斥力相对较大。从而使原来简并的 t t2g 2g 轨道，进一步发生分裂而发轨道，进一步发生分裂而发生生JahnJahnTellerTeller畸变。畸变。d dxyxyz zx xy yt t2g2gd dxyxye eg gd dxzxz d dyzyze eg g 同理，对于同理，对于(d(dxyxy) )1 1(d(dxzxz) )2 2(d(dyzyz) )1 1 排

27、布或排布或(d(dxyxy) )1 1(d(dxzxz) )1 1(d(dyzyz) )2 2 排布，在相排布，在相应方向上配体的推斥作用下，也必将导致应方向上配体的推斥作用下，也必将导致 t t2g 2g 轨道能级发生分裂，进而轨道能级发生分裂，进而发生发生JahnJahnTellerTeller畸变畸变。t t2g2gd dxzxze eg gd dxyxy d dyzyze eg gt t2g2gd dyzyze eg gd dxyxy d dxzxze eg g或：或：5. d5. d5 5 结构结构 若中央原子具有若中央原子具有 d d5 5 结构结构，同样，同样 d d轨道的电子排

28、布轨道的电子排布可分为高自旋排布可分为高自旋排布和低自旋两种构型和低自旋两种构型。即：。即：e eg g (d(dz z2 2) )1 1(d(dx x2 2-y-y2 2) )1 1 ( (半充满半充满) )高自旋高自旋e eg g0 0 ( (全空全空) )低自旋低自旋t t2g2g5 5t t2g 2g (d(dxyxy) )1 1(d(dxzxz) )1 1(d(dyzyz) )1 1 ( (半充满半充满) ) 根据前面的讨论不难得出，具有根据前面的讨论不难得出，具有 d d5 5 结构高自旋构型的八面体配合物结构高自旋构型的八面体配合物应为理想的正八面体（不发生应为理想的正八面体（不

29、发生JahnJahnTellerTeller畸变）。畸变）。 例如：六水合铁例如：六水合铁()()配离子配离子Fe(HFe(H2 2O)6O)63 3 （高自旋）（高自旋）Fe ArFe Ar 3d 3d6 6 4s4s2 2 4p4p0 0磁矩磁矩 5.8 5.8 B BH H2 2O OFeFeOHOH2 2OHOH2 2H H2 2O OH H2 2O OH H2 2O O高自旋高自旋低自旋低自旋 对于对于 d d5 5 结构低自旋构型，其结构低自旋构型，其e eg g 轨道为全空状态。轨道为全空状态。电子排布的不均匀电子排布的不均匀出现在出现在 t t2g 2g 轨道中，而轨道中，而t

30、 t2g 2g 轨道中轨道中 5 5个电子的排布有三种方式。个电子的排布有三种方式。 即：即：t t2g 2g (d(dxyxy) )1 1(d(dxzxz) )2 2(d(dyzyz) )2 2t t2g 2g (d(dxyxy) )2 2(d(dxzxz) )1 1(d(dyzyz) )2 2t t2g 2g (d(dxyxy) )2 2(d(dxzxz) )2 2(d(dyzyz) )1 1 与前面讨论与前面讨论 d d7 7 结构高自旋构型相似，结构高自旋构型相似，d d5 5 结构低自旋构型在八面体场结构低自旋构型在八面体场中会发生中会发生JahnJahnTellerTeller畸变

31、。畸变。d dxzxz d dyzyz(d(dxyxy) )1 1(d(dxzxz) )2 2(d(dyzyz) )2 2 排布排布t t2g2gd dxyxyd dxyxy d dyzyz(d(dxyxy) )2 2(d(dxzxz) )1 1(d(dyzyz) )2 2 排布排布t t2g2gd dxzxzd dxyxy d dxzxz(d(dxyxy) )2 2(d(dxzxz) )2 2(d(dyzyz) )1 1 排布排布t t2g2gd dyzyz三、大畸变与小畸变三、大畸变与小畸变 从前面对八面体配合物从前面对八面体配合物d d电子结构的讨论中可知，在八面体场中，因电子结构的讨论

32、中可知，在八面体场中，因中央原子中央原子 d d 电子的排布不均匀将会引起配合物发生畸变。电子的排布不均匀将会引起配合物发生畸变。 畸变可由畸变可由e eg g 轨道中电子轨道中电子排布的不均匀排布的不均匀产生，也可由产生，也可由t t2g 2g 轨道轨道中电子中电子排布的不均匀产生。排布的不均匀产生。1.1.大畸变大畸变 从上一节的讨论中得知，在八面体场中从上一节的讨论中得知，在八面体场中d d轨道受配体的静电排斥作用轨道受配体的静电排斥作用分裂为分裂为e eg g 轨道和轨道和t t2g 2g 轨道。轨道。 其中，其中，e eg g 轨道受配体的静电排斥作用较大，能轨道受配体的静电排斥作用

33、较大，能级升高较多。级升高较多。 若因若因e eg g 轨道中出现电子排布不均匀现象，其引轨道中出现电子排布不均匀现象，其引起的畸变变形较大起的畸变变形较大“大畸变大畸变”。d dx x2 2-y-y2 2y yx x2.2.小畸变小畸变 同理，由于在八面体配位场中同理，由于在八面体配位场中 t t2g 2g 轨道轨道受受配体的静电排斥作用较大，能级升高较多。配体的静电排斥作用较大，能级升高较多。 也就是说，也就是说，八面体配位场中八面体配位场中若是在若是在 t t2g 2g 轨轨道中出现电子排布不均匀现象，其引起的畸变道中出现电子排布不均匀现象，其引起的畸变变形较小变形较小“小畸变小畸变”。d dxzxzy yx xz z 推而广之，因高能级轨道上推而广之，因高能级轨道上电子排布不均匀引起的畸变，其变形较电子排布不均匀引起的畸变，其变形较大，大，是是“大畸变大畸变”。 反之，若是反之，若是因低能级轨道上电子排布不均匀引起的畸变，其变形较因低能级轨道上电子排布不均匀引起的畸变，其变形较小，是小，是“小畸变小畸变”。 d d6 6