שדה הליגנד

מערך האורביטלים של ‏ Ti(H₂O)₆³⁺.

תאוריית שדה הליגנד (לרוב באנגלית: Ligand field theory או LFT) היא תאוריה בכימיה אי אורגנית המתארת את הקישור הקואורדינטיבי שנוצר בין הליגנדים ובין יוני המתכת בקומפלקסים. קומפלקסים הם תרכובות בהן יש יון מתכת מרכזי, והוא קשור למספר אטומים או מולקולות, שלרוב אינם מתכות, הקרויים ליגנדים. הקישור בין הקומפלקס לליגנד הוא קישור קואורדינטיבי, שבו שני האלקטרונים לקשר נתרמים על ידי הליגנד.

תאוריה זו מיישמת את שיטת האורביטלים המולקולריים על הקומפלקסים (בעיקר משיקולי סימטריה). בונים קומפלקס אוקטאהדרלי על ידי התבוננות באורביטלי החזית. מטבלת האופי המתאימה ניתן לבנות את מערך האורביטלים של הקומפלקס.

בהתחלה מתייחסים לליגנדים ככאלה היוצרים קשר בן שני אלקטרונים עם המתכת ותורמים למערך האורביטלות שני אלקטרונים המאכלסים את כל האורביטלות הקושרות קשרי סיגמא. האורביטלים כדוריים והקישור הוא על הצירים (אורביטלות משותפות). כל ליגנד מגיע עם זוג אלקטרונים. ניתן לראות שייווצר קישור סיגמא בין אורביטלי הקטיון על הצירים ואורביטלי הליגנדים.

אכלוס האלקטרונים

לקטיון יכול להיות מספר משתנה של אלקטרונים והוא מקבל אלקטרונים שמקורם בליגנדים. ראשית מתאכלסים אלקטרוני הליגנדים. ללא תלות במספר האלקטרונים שבאים מיון המתכת - אלקטרוני המתכת יאכלסו אורביטלים לא-קושרים או אורביטלים אנטי-קושרים, ולמעשה לא יתרמו לקשר הנוצר בין הליגנדים ליון המתכת.

מספרם הכולל של האורביטלים שייווצרו הוא N) .N+9 - מספר הליגנדים, כל ליגנד מביא אורביטל אחד. 9 - מספר האורביטלים שמביא הקטיון). מספר האורביטלים הקושרים יהיה N. הרווח האנרגטי, החוזק של הקומפלקס הנוצר, בא מאלקטרוני הליגנדים.

בניית מערך אורביטלים

בקומפלקס אוקטאהדרלי

מחפשים בטבלת האופי, היכן נמצאים האורביטלים הרלוונטיים. יכולים להשתתף אורביטלים מסוגים שונים. הקשרים שיוצרים הם קשרי סיגמה(σ). הMO שנוצרים - שישה אורביטלים קושרים המאוכלסים על ידי אלקטרוני הליגנדים. אורביטלים אלה הם הכוח המניע ליצירת הקומפלקס. ככל שהמספר הקוונטי הזוויתי נמוך יותר - החפיפה בין האורביטלים טובה יותר. אלקטרוני המתכת יאכלסו את אורביטלי t_2g ו- ^*e_g אין ערבוב בין האלקטרונים שמקורם בליגנדים והאלקטרונים שמקורם ביון המתכת. t_2g - אורביטל לא קושר. ^*e_g - אנטי-קושר, האלקטרונים בו לא תורמים לקשר אלא מחלישים את הקשר קטיון מתכת - ליגנד. המספר המקסימלי של קשרי פאי שיוכלו להיווצר בקומפלקס אוקטהדרלי הוא 12. (2 עבור כל ליגנד).

בקומפלקס טטראהדרלי

אם יש אלקטרוני d בקומפלקס - הם מאכלסים את אורביטלי e ואחר כך את אורביטלי t₂. מקבלים אורביטל e יותר נמוך מ t₂ (יודעים זאת משיקולים של תאוריית שדה הגביש).

אורביטלי פאי

בקומפלקסים אי-אורגניים יש לקחת בחשבון לא רק קישור סיגמה אלא גם קישור פאי, המשמעות היא שיהיו הרבה יותר אורביטלים. הסיבה לכך היא מקסימום צפיפות האלקטרונים מעל ומתחת לקו המחבר בין שני אטומים. אם לליגנד יש אלקטרוני d- ולעיתים אורביטלי s, יכולים להיווצר קשרי פאי.

הסברים לשורה הספקטרוכימית

תאוריית שדה הליגנד היוותה בשורה חדשנית בכל הנוגע להסבר השורה הספקטרוכימית, זאת בעוד שדה הגביש לא הצליחה לספק עם הכלים שלה הסבר מדעי מובהק והיא נותרה בגדר "ניסיונית" במסגרתה של האחרונה. ההסבר הפשטני שמציעה תאוריית שדה הליגנד הוא שאורביטלות (של הליגנדים כמובן) עשירות באלקטרונים מסוגלות לתרום מטען לאורביטלות הלא קושרות של המתכת (t2g ו-eg)-התהליך מכונה העברת מטען/קישוריות פאי. מטבע הדברים נוצר קשר חדש שהאורביטלות האנטי קושרות שלו גבוהות באנרגיה, הפיצול האנרגטי בפועל בין אורביטלי המתכת קטן והמפצל מוגדר כמפצל חלש. דוגמה בולטת לכאלו הם למשל ההלידים שאורביטלי p שלהם עתירי אלקטרונים.

בניגוד לכך במצב שבו ליגנדות האוחזות באורביטלות קושרות פאי הריקות מאלק', דווקא גבוהות באנרגיה ויגרמו לירידה באורביטלות הקושרות של המתכת ולפיצול גדול יותר בין רמותיה האנרגטיות. במצב שכזה מקובל לכנות את הליגנד-מפצל חזק. כאלו הם האמינים לדוגמה.

ככלל משמעותי לזכור בשיח זה כי כאשר ישנה אפשרות לדחיפת/העברת מטען בין הליגנדים למתכת הפיצול האנרגטי נוטה לקטון והמעברים האנרגטיים מתקרבים לאזור האור הנראה-והקומפלכסים מאמצים צבע מתאים כתוצאה מכך-הפרמנגנאט הוא יון המהווה דוגמה נפלאה לכך. מסיבה זו במקרים רבים, התמרת מפצל חזק במפצל חלש בתמיסה יכולה לחזק מאוד צבע של יוני מתכת בתמיסות מסיימות. השפעות ספקטרליות אלו, הן אלו שטבעו לסידור הליגנדים הזה את שמו שנראה לא טריוויאלי ממבט ראשון- השורה הספקטרוכימית.

קישורים חיצוניים

• שדה הליגנד, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)