전이금속 이온의 착화합물에서 d 오비탈이 분리되어 서로 다른 에너지를 갖게 되는 이유는 무엇인가요?

Question

안녕하세요. 전이금속 이온의 착화합물에서 d 오비탈이 분리되어 서로 다른 에너지를 갖게 되는 이유는 무엇이며, 이것이 착이온의 색과 어떻게 연결되는지 알고 싶습니다.

Answer 1

안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 전이금속 이온은 일반적으로 외곽에 d 오비탈을 가지고 있는데요, 자유 이온 상태에서는 5개의 d 오비탈이 모두 같은 에너지를 가져서 축퇴되어 있습니다. 그러나 전이금속 이온이 배위자(ligand)와 결합해 착화합물을 형성하면, 배위자의 전자 구름이 금속 이온 주위에 특정 방향으로 접근하면서 d 오비탈과의 정전기적 상호작용이 달라집니다. 예를 들어, 가장 대표적인 옥타헤드랄(정팔면체) 배위 환경에서 배위자의 전자쌍은 금속 중심 이온을 둘러싸며 x, y, z 축 방향을 따라 접근합니다. 이때 축 방향에 뻗어 있는 오비탈은 배위자 전자와 직접 마주치게 되어 강한 반발을 받으면서상대적으로 에너지가 높아집니다. 반대로 축과 45° 방향에 뻗어 있는 오비탈은 배위자의 전자와 직접적으로 마주치지 않으므로 반발이 적기 때문에 상대적으로 에너지가 낮아지며, 이렇게 해서 원래 같은 에너지였던 5개의 d 오비탈이 두 그룹으로 갈라지는 것입니다. 이 현상을 결정장 분리라고 부릅니다.

다음으로 전이금속 착이온이 색을 띠는 이유는 이 분리된 d 오비탈들 사이의 에너지 차이 때문인데요 전이금속 착이온에 빛이 입사하면, 특정 파장의 광자가 흡수되어 전자가 낮은 에너지 오비탈에서 높은 에너지 오비탈로 전자 전이(d–d 전이)를 일으키며, 이때 흡수된 빛의 에너지 는 정확히 오비탈 사이의 에너지 차이와 일치해야 합니다. 따라서 착이온은 특정 파장의 빛을 흡수하고, 나머지 빛이 반사·투과되어 보색으로 관찰되며 예를 들어, 착이온은 전자구조를 가지고 있으며, 청록색 빛을 흡수하여 보색인 보라색을 띱니다. 감사합니다.