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⌫ Retour Université du Maine - Faculté des Sciences CHIM301A - Semaine 4 Corrélations avec l'expérience - 2/2 II. Les manifestations macroscopiques du champ cristallin Unités de Dq (champ octaédrique) 14 champ octaédrique champ tétraédrique Unités de Dq (champ tétraédeique) Le graphe ci-contre indique les stabilisations (CFSE) dûes au champ cristallin pour des coordinences octaédrique (champ faible) et tétraédrique en unité Dq . Les flèches indiquent les points où des déformations accroissent le plus la stabilisation. On observe que pour les ions d4 et d9 une déformation quadratique de l’octaèdre stabilise le complexe (effet Jahn-teller). Pour une coordinence octaédrique, on note une variation de la stabilisation avec un minimum pour les ion d0 et d5 et un maximum pour les ions d3 et d8. 12 24 10 8 6 12 4 2 0 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Ce phénomène se retrouve dans l’énergie d’hydratation ∆H des ions de la première série de transition comme le montre le graphe suivant de gauche . La ligne droite correspond au cas où l’énergie de stabilisation du champ des ligand a été soustraite des valeurs mesurées. La déviation expérimentale par rapport à cette droite correspond assez bien aux valeurs de champ cristallin des ions M2+ en coordinence 6. 210 -1 ∆H° (MJ.mol ) -∆Hf (KJ.mol-1) -3.0 420 630 -2.5 après soustraction de l'énergie de stabilisation du champ cristallin Ca Sc Ti 840 Ca V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn ∆H M(2g+) + 6H 2 O → [M(H 2 O) 6 ] 2+ De la même manière, on constate que les enthalpies de formation des chlorures de degré + II (graphe de droite) suivent la même variation, exception faite des ions d4 et d9 pour lesquels l’effet Jahn-Teller apporte une stabilisation supplémentaire. Par contre l’évolution des potentiels d’oxydo-réduction ne suit pas le champ cristallin. Néanmoins, pour un couple rédox donné, le potentiel standard suit la série spectrochimique : E° = (Co3+ / Co2+) = 1.84 V E° = (Co(NH3)63+ / Co(NH3)62+) = 0.10 V avec pour ∆o : CN- > NH3 > H2O 10 E° = (Co(CN)63- / Co(CN)64-) = -0.83 V 2 2 2 NH2CH2CH2S f [M(H 2 O) 6 ]n+ + 6 L → [ML 6 ] n+ + 6H 2 O K 8 logKf Parallèlement, l’influence du champ cristallin sur l’évolution des constantes de stabilité des complexes (Kf) se traduit par une variation appelée série de Irwing – Williams. Cette série relative aux constantes de formation suivantes : 6 4 ox 2+ met en évidence une augmentation de Kf pour la série des ions M : Log Kf pour Mn2+ < Fe2+ < Co2+ < Ni2+ < Cu2+ mais > Zn2+ si Dq de L > Dq de H2O A l’exception de Cu2+ cet ordre est celui du champ cristallin. 2 NH2C2HCO2en Ba Sr Ca Mg Mn Co Ni Cu Zn ⌫ Retour Université du Maine - Faculté des Sciences CHIM301A - Semaine 4 Corrélations avec l'expérience - 2/2 Enfin, on peut signaler la contribution du champ cristallin dans le choix des sites octaédriques ou tétraédriques dans la structure spinelle AB2X4. Il existe deux types de spinelles : où [X] correspond aux sites tétra La forme spinelle directe : [A][B2]O4 type MgAl2O4 et [X] correspond aux sites octa La forme spinelle inverse : [B][AB]O4 type Fe(NiFe)O4 Le choix du site octaédrique est imposé par le cation le plus stabilisé dans ce site (∆o > ∆t): Ainsi on peut prévoir que NiFe2O4 est inverse car ∆o (Ni2+) > ∆o (Fe3+). De même, Fe3O4 est inverse car Fe2+ est plus stabilisée en octaédrique qu’en tétraédrique. Distribution cationique théorique et expérimentale dans les spinelles AIIBIII2O4 Al3+ A Mg2+ Zn2+ Cd2+ Mn2+ Fe2+ Co2+ Ni2+ Cu2+ Ga3+ Fe3+ Cr3+ Mn3+ Exp Th Exp Th Exp Th Exp Th 0.881 O I O I O N N N O N O N O N N, T N O N O N O N N N O O I O N N N N N I I I I N N N N I 3/4I + 1/4N I I I I Exp V3+ Co3+ Th Exp Th N N N N N N N N Exp Th N N N N N N N N N I+N N I I I N N N I+N I I I N N I+N I N N I I 0.861, T I N N N I N N : Normal. I : Inverse. O : pas de prédiction. T : distorsion quadratique par effet Jahn-Teller En dernier lieu, on peut mentionner l’influence du champ cristallin sur la cinétique d’échange des ligands dans un complexe. Les études réalisées sur les temps de vie des complexes en solution aqueuse traduisent la tendance à l’échange des ligands (mesure par RMN par exemple) par un mécanisme plus ou moins complexe de substitution via un état intermédiaire dans lequel la coordinence peut avoir évolué (passage de 6 à 7 ou de 6 à 5 par exemple). Ces réactions d’échange sont en général très rapides et la vitesse des ligands suit l’évolution du champ cristallin à l’exception usuelle des ions d4 et d9. On constate par ailleurs que les complexes du CrIII et de CoIII (spin faible) sont très stables (inertes) et que d’une manière générale les complexes avec un ligand fort comme CN- peuvent être dissous dans l’eau et recristallisés sans problème d’échange de ligands. Ion dn Taux (s-1) Cr2+ Mn2+ Fe2+ Co2+ Ni2+ Cu2+ Cr3+ 4 5 6 7 8 9 3 7.109 3.107 3.106 1.106 3.104 8.109 3.10-6 Energie du champ cristallin (Dq) 6 0 4 8 12 6 12