Цветность комплексных соединений

Многие комплексные соединения в кристаллическом состоянии и водном растворе отличаются яркой окраской. Так, водный раствор, содержащий катионы [Cu(NH₃)₄]²⁺, окрашен в интенсивно синий цвет, катионы [Ti(H₂O)₆]³⁺ придают раствору фиолетовую окраску, а катионы [Co(NH₃)₅H₂O]²⁺ - красную. Теория кристаллического поля позволяет объяснить появление той или иной окраски у комплексных соединений.

Если через раствор или кристаллический образец вещества пропускать свет видимой части спектра, то в принципе возможны три варианта физического поведения образца: отсутствие поглощения света любой длины волны (образец вещества бесцветен, хотя может иметь полосы поглощения в ультрафиолетовой области спектра); полное поглощение света во всем интервале длин волн (образец будет казаться черным); наконец, поглощение света только определенной длины волны (тогда образец будет иметь цвет, дополнительный к поглощенному узкому участку спектра). Таким образом, цвет раствора или кристаллов определяется частотой полос поглощения видимого света:

Поглощение квантов света комплексами (например, имеющими октаэдрическое строение) объясняется взаимодействием света с электронами, находящимися на de-подуровне, сопровождаемое их переходом на вакантные орбитали dg-подуровня.

Например, при пропускании света через водный раствор, содержащий катионы гексаакватитана(III) [Ti(H₂O)₆]³⁺, обнаруживается полоса поглощения света в желто-зеленой области спектра (20300 см^-1, l » 500 нм). Это связано с переходом единственного электрона комплексообразователя с de-АО на dg-подуровень:

Поэтому раствор, содержащий [Ti(H₂O)₆]³⁺, приобретает фиолетовый цвет (дополнительный к поглощенному желто-зеленому).

Раствор соли ванадия [V(H₂O)₆]Cl₃ имеет зеленый цвет. Это также обусловлено соответствующими переходами электронов при поглощении ими части энергии светового луча. В основном состоянии, при электронной конфигурации ванадия(III) 3d², два неспаренных электрона занимают de-подуровень:

Существует всего два варианта перехода двух электронов на dg-подуровень: либо оба электрона занимают dg-АО, либо только один из них. Любые другие переходы электронов, связанные с уменьшением суммарного спина, запрещены.
Указанным переходам электронов, получивших избыточную энергию, соответствует полоса поглощения около 400 нм в спектре поглощения раствора хлорида гексаакваванадия(III). Поглощение пурпурно-фиолетовой области спектра дает дополнительный цвет раствора – ярко-зеленый.

Если комплексообразователь имеет электронную конфигурацию d⁰ или d¹⁰, то переходы электронов с de- на dg-подуровень или наоборот невозможны либо из-за отсутствия электронов, либо из-за отсутствия вакантных орбиталей. Поэтому растворы комплексов с такими комплексообразователями, как Sc(III), Cu(I), Zn(II), Cd(II) и т.п., не поглощают энергии в видимой части спектра и кажутся бесцветными:

Избирательность поглощения света зависит не только от комплексообразователя и степени его окисления, но и от вида лигандов. При замене в комплексном соединении лигандов, находящихся в левой части спектрохимического ряда, на лиганды, создающие сильное электростатическое поле, наблюдается увеличение доли энергии, поглощаемой электронами из проходящего света и как следствие – уменьшение длины волны соответствующей полосы поглощения. Так, водный раствор, содержащий катионы тетрааквамеди(II) [Cu(H₂O)₄]²⁺, окрашен в голубой цвет, а раствор сульфата тетраамминмеди(II) [Cu(NH₃)₄]²⁺ имеет интенсивно синюю окраску.