안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.
전이금속 이온이 다양한 색을 띠는 핵심 원인은 d 오비탈의 결정장 갈라짐과 이에 따른 d-d 전이 때문입니다. 중심 금속에 결합하는 리간드의 종류, 금속의 산화수, 배위 구조에 따라 갈라지는 에너지 격차가 달라지며, 흡수하는 빛의 파장이 바뀌어 다양한 색으로 관찰됩니다.
기체 상태의 고립된 전이금속 이온은 5개의 d 오비탈 에너지 수준이 모두 동일합니다. 하지만 용액 속에서 비공유 전자쌍을 가진 리간드가 금속 이온에 접근하여 배위 결합을 형성하면 정전기적 반발력에 의해 d 오비탈의 에너지가 불균일하게 갈라집니다.
같은 구리나 니켈 이온이라도 화합물에 따라 색이 달라지는 이유는 결정장 갈라짐 에너지를 결정하는 요인들이 달라지기 때문입니다. 리간드가 d 오비탈을 얼마나 강력하게 가르는지에 따라 순서가 정해져 있습니다. 강한 장 리간드가 결합할수록 \Delta가 커져 단파장(고에너지) 빛을 흡수하므로, 보색 관계에 의해 긴 파장의 색(노랑, 빨강 등) 쪽으로 관찰 색상이 이동하거나 투과 색이 변화합니다. 금속의 양전하가 클수록 리간드를 더 강력하게 끌어당겨 d 오비탈과의 반발력이 커지므로 에너지가 증가합니다. 리간드가 배치되는 입체 구조(정팔면체, 사각평면, 정사면체 등)에 따라 d 오비탈이 갈라지는 패턴과 어너지의 크기가 완전히 달라집니다. 정사면체 구조는 정팔면체 구조보다 갈라짐 에너지가 훨씬 작습니다.