Jahnin–Tellerin ilmiö
Jahnin–Tellerin ilmiö eli JT-ilmiö on tietynlainen molekyylin kolmiulotteisen muodon vääristymä, joka liittyy elektronien samanenergiaisten energiatasojen spontaaniin symmetrian rikkoutumiseen: tasot siis menettävät samanenergiaisyytensä. Vääristymä tapahtuu, jotta molekyylin, esimerkiksi metallikompleksin, kokonaisenergia pienenee.[1]
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
Samanenergiainen 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 samanenergiaisen 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 samanenergiaiset 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]
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.
| Sitoutumattoman keskusatomin d-elektronien määrä: | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 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) | |||||
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
muokkaaLähteet
muokkaa- ↑ a b Weisstein, Eric W.: Jahn-Teller Effect – from Eric Weisstein's World of Chemistry scienceworld.wolfram.com. Viitattu 15.11.2017.
- ↑ a b c Jahn-Teller Distortions Chemistry LibreTexts. 2.10.2013. Arkistoitu Viitattu 15.11.2017.
- ↑ 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.
- ↑ a b c d e f g h i V. Aditya vardhan: Jahn Teller distortion adichemistry.com. Arkistoitu Viitattu 15.11.2017.
- ↑ Crystal Field Theory Chemistry LibreTexts. 2.10.2013. Arkistoitu 16.11.2017. Viitattu 15.11.2017.
- ↑ a b c Thermodynamics and Structural Consequences of d-Orbital Splitting Chemistry LibreTexts. 7.5.2014. Arkistoitu Viitattu 15.11.2017.