Jahnin-Tellerin ilmiö

Kohteesta Wikipedia
Siirry navigaatioon Siirry hakuun

Jahnin-Tellerin ilmiö eli JT-ilmiö on tietynlainen molekyylin kolmiulotteisen muodon vääristymä, joka liittyy elektronien samaenergisten energiatasojen spontaaniin symmetrian rikkoutumiseen: tasot siis menettävät samaenergisyytensä. Vääristymä tapahtuu, jotta molekyylin, esimerkiksi metallikompleksin, kokonaisenergia pienenee.[1]

Muodoltaan oktaedrinen heksa-akvakupari(II) -metallikompleksi. Kuvan pitkittäinen akseli on pidempi suhteessa muihin JT-ilmiön vuoksi.

JT-ilmiötä tavataan erityisesti tietyillä oktaedrisillä metallikomplekseilla. Kompleksit litistyvät tai venyvät ilmiön vuoksi lähinnä yhdeltä akseliltaan. Ilmiötä voi ilmetä myös tetraedrisillä metallikomplekseilla. Ilmiö syntyy vain tietyn elektronirakenteen molekyyleissä.[2]

Ilmiö on nimetty Hermann Arthur Jahnin ja Edward Tellerin mukaan. He havaitsivat ilmiön kokeellisesti 1937 ja sitten osoittivat soveltamalla ryhmäteoriaa kvanttimekaniikkaan väitteen, jonka mukaan molekyylissä samaenergiset (degeneroituneet) elektronitasot, jotka ovat täyttyneet epätasaisesti elektronein, eivät ole vakaita, ellei molekyyli ole suora (lineaarinen).[3]

Väite on Jahnin-Tellerin teoreema. Sen matemaattinen todistus on vaikea, mutta sen ratkaisu kunkin tarkastellun molekyylin kohdalla kertoo näiden muodon ja vääristymän suuruuden.[1]

Yksinkertaistettu yleiskatsaus[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Kuva 1. Vasemmalla kuvassa oktaedrisen kompleksin puristuma (z-in) ja oikealla venymä (z-out). Keskellä näkyy t2g ja eg ryhmiin silpoutuneet viisi d-orbitaalia. Huom: mustat nuolet osoittavat muutoksen suhteessa perustasoon, ja puristumaa tapahtuu x- ja y-akseleiden suunnassa kummassakin tapauksessa.

Samaenerginen eli degeneroitunut elektronitaso on esimerkiksi oktaedrisen siirtymämetallikompleksin perusmuodon t2g-taso (kuva 1), koska siinä on samalla energiatilalla kolme elektroniorbitaalia (dxy, dxz, dyz).[4] Keskusatomina olevan metallin d-orbitaalin viiden samanenergisen elektronitason jakautuminen kahteen energiseen t2g ja eg orbitaaliin kompleksin perusmuodossa voidaan selittää kidekenttäteorian avulla,[5] joka ei suoraan liity JT-teoreeman.

JT-teoreeman mukaan kun samaenergiset elektronitasot täyttyvät epätasaisesti elektronein, ne ovat epävakaita. Siksi niiden täytyy rikkoutua vielä t2g ja eg tasoja edemmälle,[4] kuten kuvassa 1 on esitetty vasemmalla punaisella ja oikealla sinisellä. Epätasaisesta elektronitäyttymisestä puolestaan on esimerkki kuvassa 2.

Tasojen epävakaudesta aiheutuu esimerkin metallikompleksille korkea energia, joten sen energiatasot rikkoutuvat eri tasoille. Tasojen energiaerojen seurauksena molekyylin geometria muuttuu eli havaitaan JT-ilmiö.[3]

Elektronirakenteeltaan sopivat oktaedriset kompleksit joko venyvät (z-out) tai litistyvät (z-in) (kuva 1) pystysuunnassa. Oktaedrissä z-out muodossa z-komponentin omaavat d-orbitaalit (dz2, dxz, dyz) stabiloituvat (energia vähenee) ja muut destabiloituvat (energia lisääntyy). z-in muodossa käy päinvastoin ja z-komponentin omaavat orbitaalit destabiloituvat ja muut stabiloituvat. z-out eli venymä on z-in muotoa yleisempi.[4]

Kuva 2. Yllä: JT-ilmiö havaitaan tetragonaalisena venymänä tai litistymänä oktaedrisissä high-spin d4 komplekseissa elektronien energian nettomuutoksen vuoksi (huomaa pariton elektronien määrä eg-orbitaalilla). Alla: JT-ilmiötä ei havaita jos energian nettomuutosta ei ole (huomaa parillinen elektronien määrä eg-orbitaalilla).

JT-ilmiö on näkyvin oktaedrisillä komplekseilla, joissa on pariton määrä elektroneja eg-elektronitasolla (kuva 2).[4][6] Ilmiötä on yleinen hapetusasteella II olevalla kuparilla sen eri komplekseissa kuten kupari(II) heksafluoridissa.[2] Oktaedrisissä komplekseissa tasaisesti elektronein täyttyneillä orbitaaleilla (eli kun eg-orbitaalilla, on elektroneja parillinen määrä) vääristymä ei madaltaisi niiden kokonaisenergiaa, joten JT-vääristymää ei havaita.[4][6] JT-ilmiötä ei havaita esimerkiksi ioneilla Cr(III), Co(II) tai Ni(II).[2] Taulukossa on alla esimerkkejä komplekseista, joissa JT-ilmiö havaitaan.

JT-ilmiön oktaedrisissä komplekseissa[4]
Sitoutumattoman keskusatomin d-elektronien määrä: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
High-spin vai low-spin: High Low High Low High Low High Low
Ilmiön voimakkuus: Heikko Heikko Vahva Heikko Heikko Heikko Heikko Vahva Vahva
Esimerkkejä: Sc(II), Ti(II), V(IV) Ti(II), V(III), Cr(IV) Cr(II), Mn(II) Cr(II), Mn(III) Fe(III) Fe(II) Co(II), Ni(III) Co(II), Ni(III) Cu(II), Ag(II)
Kuva 3. Tasoneliö kompleksin muodostuminen voidaan kiistanalaisesti tulkita seuraukseksi oktaedrisen kompleksin äärimmäisestä JT-venymästä.

Kiistanalaisen tulkinnan[4] mukaan äärimmäinen venymä aiheuttaa yhden akselin myötäisten ligandien poistumisen ja siten kompleksin tasoneliömuodon (kuva 3).[4][6] Tasoneliömuotoa esiintyy, kun keskusatomina on Pt tai Pd.[4]

Katso myös[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  1. a b Weisstein, Eric W.: Jahn-Teller Effect – from Eric Weisstein's World of Chemistry scienceworld.wolfram.com. Viitattu 15.11.2017.
  2. a b c Jahn-Teller Distortions Chemistry LibreTexts. 2.10.2013. Arkistoitu . Viitattu 15.11.2017.
  3. a b H. A. Jahn, E. Teller: Stability of polyatomic molecules in degenerate electronic states - I—Orbital degeneracy. Proc. R. Soc. Lond. A, 15.7.1937, 161. vsk, nro 905, s. 220–235. doi:10.1098/rspa.1937.0142. ISSN 0080-4630. Artikkelin verkkoversio.
  4. a b c d e f g h i V. Aditya vardhan: Jahn Teller distortion adichemistry.com. Arkistoitu . Viitattu 15.11.2017.
  5. Crystal Field Theory Chemistry LibreTexts. 2.10.2013. Arkistoitu 16.11.2017. Viitattu 15.11.2017.
  6. a b c Thermodynamics and Structural Consequences of d-Orbital Splitting Chemistry LibreTexts. 7.5.2014. Arkistoitu . Viitattu 15.11.2017.