Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги / Электронная структура химических соединений

..pdf
Скачиваний:
6
Добавлен:
20.11.2023
Размер:
22.26 Mб
Скачать

Таблица 5.7. Опиоэлектронные энергии <а.е.), состав МО (%) и заселенности пере­ крывания для MCI, [43]

МО

 

CrCl,

 

 

 

 

C od,

 

 

 

Cr d

Cl а

С1р

 

Cod

Cli

Clp

Co—Cl

 

-« (

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1(fc

1,06

4

95

 

1,09

5

92

 

0,08

lag

1,05

 

96

 

1,08

 

95

 

0,05

0,51

24

 

76

0,57

25

5

73

0,15

2аи

0,47

 

 

92

0,50

 

2

90

0,09

 

0,46

3

 

97

0,48

 

4

96

0,03

 

0,45

 

 

96

0,47

 

 

95

0,08

2ng

0,25

98

 

2

0,36

96

 

3

-o,os

I V

0,24

1 0 0

 

 

0,71

100

 

 

 

3<fr

0,9

 

 

 

0,37

91

 

6

-0,09

Таблица 5.8. Вклады М 3^-орбиталей (%) до результатам сшш-ограниченного (с,о.)

и слин-лоляризованного (с.п.) расчетов МСЦ [39]

Cr

! 3 r

Mn * 4

Fe

V

Co 4V

NJ

MO

С.П.

c.o. СЛ1.

c,o.

 

 

 

c,o,

С'П.

c.o. C,n,

c*o* С Л ,

показан на рис, 5.4, а на примере

МпХ2. При переходе от MnF3 к

MnJ2

энергия связи электронов (/-типа

I 6g , 2ttg

и Щ

понизилась

приблизи­

тельно на 2,5 эВ. Уровни 2<%, 2 0 ц, 1 irg и

1ям

дестабилизируются

при

этом на *-4эВ, повторяя изменение энергии Хлр-орбиталей.

Более су­

щественное изменение наблюдается в рядах МХ2

при замещении

металла

(см, табл, 5.6, рис. 5.4,6).

 

 

 

 

 

 

В работах

[49,

50]

исследован ФЭ-спектр дихлорида европия

ЕиС13.

Полученная последовательность энергии связи электронов (эВ)

 

 

 

E u 4 /

<ru

 

K g

K U

og

 

 

 

 

 

9,1-10

9,92

10,54

10,85

11,46

 

 

 

 

 

отличается от последовательности

уровней

дигалогенидов

$-элементов

< тги <

ои <

og

(см. табл. 3.34) и (/-элементов

тги ъ ои < rrg <

%,

хотя

и близка

к последовательности второго класса соединений, также имею­

щих большую степень нонности связей.

5.2.3. Галогениды МХ3

Методом ФЭ-спектроскопии в газовой фазе исследована электронная структура трихлоридов элементов лантаноидного ряда (табл. 5.9), за исключением PmCl3, EuCl3 [49,50]. Энергии связи валентных и внутрен­ них электронов из РЭ-спектров твердофазных соединений LnF3 приведе­ ны в работе [51]. Выполнены расчеты электронной структуры LnX3 са­ мосогласованным по зарядам методом РМХ [52], соединений LnF3 ме­

тодом X^-MS [51] (см. также ссылки на расчетные

работы в

статье

[50]). В работах [49-51] принята

плоская

структура

тригалогенидов

РЗЭ, но, по данным

расчета [52],

минимум энергии соответствует пира­

мидальной структуре,

Нарушение копланарности объяснено включением

в Мm i- X яр-взаимодействие dzi -орбитали

металла

в

пирамидальной

структуре [52]. Изогнутую структуру молекул МХ3

показывают

также

данные по электронной дифракции [50]. Для хлоридов получена следую­ щая электронная конфигурация основного состояния молекул [52]:

D 3h : le u la j 3 1е"4 2 е'4 2й12 3е ' 4 1«^ 1 1в31 ;

Cjo : le4 lef 2e4 2a\ За\ Зе44 \.a\ .

Заселенность (/-орбиталей выше

при C3v-симметрии ("-2 а.е. для LaCI3)

и увеличивается от фторидов к

иодидам [52]. Метод X^-MS для основ­

ного состояния LnF3 [51] предсказал последовательность уровней, отли­ чающуюся от результатов работы [52]:

Dih - .,Ла\2е \е" \а\\а3 Ъе .

В фотоэлектронных спектрах 1лС13 область ионизации С1Зр -электро­

нов значительно ^же по сравнению с хлоридами p -элементов

(см.

табл, 4,1) и последовательно увеличивается от 1,2 эВ для LaCl3 до

1,9 эВ

для LuCl3. Расширение зоны осуществляется в основном за счет стабили­ зации связывающего уровня 2л[ от 12,50 (LaCl3) до 13,41 эВ (LuCl3), т.е. этот факт отражает повьпиение ковалентного связьшания в ряду лантаноидов. Последовательность энергий связи лигандных электро-

191

Табанив 5.9. Вертикальные потенциалы

 

(эВ) для лигандных орбиталей

LnCl, и NdJ, [50]

 

 

 

 

 

 

 

Ln

 

A'

 

A

Л"

 

В

 

B'

 

lei

 

 

It"

 

2e'

 

 

 

 

 

 

 

 

 

U

 

 

 

11,29

11,52

 

12,17

12,50

Се

 

 

 

11,33

11,58

 

12,25

12,60

ft

 

11,16

 

11,43

11,71

 

12,21

12,70

Nd

 

 

11,47

11,70

 

12,28

12.74

Sm

 

11,25

 

11,56

11,90

 

12,30

12,78

Gd

 

11,36

 

11,69

11,84

12,14

12,87

Tb

 

11,43

 

11,75

11,92

 

12,37

 

 

 

 

 

12,40

13,01

Dy

 

11,42

 

11,80

12,01

 

12,57

13,05

 

 

 

12,44

Ho

 

11,45

 

11,82

12,11

 

12,52

13,05

Ei

 

11,54

 

11,90

12,13

 

12,58

13,17

Tm

 

11,56

 

11,96

12,11

 

12,65

13,27

Yb

 

11,61

 

12,02

 

 

12,68

13,34

Lu

 

11,55

 

12,05

 

 

12,64

13,41

MO

ai

 

*ei/»

1

 

 

 

ia[

r x

NdJ,

9,37

9,70

9,94

10,17

10,41

10,63

11,02

11,24

12,5

нов, предложенная в работе (50] на основании закономерностей в спек* трах (в том числе NbJ3): Зе' 1а]' 1е"2е*2в|, отличается от последо­ вательности рассчитанных одноэлектронных энергий инверсией уровней 1е" и 2а\. Корреляция /в ряда LnGj (см. табл. 5.9) показывает повы­ шение значений / в с увеличением числа /-электронов. Эта стабилизация лигандных уровней связана с отмеченным выше расширением зоны G Зруровией. По результатам расчетов в работах [50—52] заряд на РЗЭ на­ много ниже формального значения 3+ вследствие обратного дониоовання электронной плотности на вакантные уровни (прежде всего 5<f). Увеличи­ вающийся с ростом атомного номера перенос заряда СГ -*■Ln+ увеличи­ вает степень ковалентности связей и повышает значения / в для лигандных уровней. Нарушение монотонности в изменении / , авторы статьи [50] объяснили изменением полного орбитального момента при заполнении /•оболочки.

Спектр состояний, возникающих яри удалении /-электрона, изменя­ ется в нироких пределах для различных чисел заполнения /-оболочки. Для элементов от Sm до Lu состояния /-электронов наблюдаются при энергиях ионизации более высоких, чем энергии ионизации С13р-уров­ ней. В спектрах СеС1э и РгС1э соответственно один и два электрона дают полосу в области 9-10 эВ (рис. 5.5). В спектрах с источником излуче­ ния Нс (I) чрезвычайно низкое сечение ионизации /-оболочки не поэво-

192

Рис, 5.5. Фотоэлектронные спектры СеС1( , РгС1, н TbCl, ( 50 J

Рис. 5.6. Зависимость сечений поглощения и ионизации (л) и интенсивности ФЭ-полос

(в) отэнергии фотона для ТКЛ4

в: 1 - сечение поглощения; 2 - парциальное сечение ионизации для 1е + 2 г ,; 3 парциальное сечение ионизации для 1 Г, 156)

Таблица 5.10. Конечные состояния для 4 /-электронов и вертикальных потенциалов ионизации /в для 1л(Л3 [50]

Ln, изменение

 

 

 

/в (эВ), состояние

конфигурации

 

 

 

 

 

 

 

Си, Г

- Г

9,82,

 

 

 

 

Г

10,89,

 

11,15, *Fyi

М , /*

- /*

12, *H + *F

 

Sm, / ' -ь /♦

13,7-14,2,

*/;

15-17, *F +'G

Cd, / ’ -е /♦

15,5-16,5,

7F

 

Tb, /■ -ь Г

13, *S; 17 -18,

♦/»+♦/ + *D- 19-20,5, *G + * f +*H

Dy, р

-* р

14-15, 4F

16-20, ‘.0 + *G + *£ + « tf+ s/ + »ir

Но, Г * - * Р

15,5-16,5,

•H+*F; 18-20, *I+ 4M + *K + * L + *ff

Ег, р ' - + Г '

15-16,

 

17-20, SF + , 7C + , C + s G + Jtf+ * £ + , JW+ sF+»/

Tm. f l% -* Р 1

15,3, */;

17-21, *F + t H + 1G + *G + t K + *F + >J9 + *Z, + 1/

Yb, />» - / 11

15,5-21,

*H + ‘ / , + ‘ G +*U + 1i + ’P

Lit, f '* -*■Р *

17,39, »FVJ; 18,68, *Ft/1

*3. З е к .1304

193

л нет надежно установить значения /„ /-уровней [50]. Систематика воз­ можных состояний и области ионизации /-электронов, по данным рабо­ ты [50], приведены в табл. 5.10. Интересной особенностью спектров /•электронов является большая полуширина полос. Наиболее вероятной причиной уширения полос можно счигать колебательное уширение. Удале­ ние локализованного на металле /-электрона не может не привести к усилению ионной и ковалентной составляющих связи Ln+-C l", т.е. к из­ менению равновесного межъядерного расстояния.

5.2.4. Тетрагалогежщы переходных металлов

Электронная структура тетраэдрических молекул галогенидов титана, циркония и гафния МХ4 (X = Cl, Br, J) методом ФЭ-спектроскопии иссле­ дована в работах [53-56] (см. также ссылки в них на более ранние рабо­ ты), РЭ-спектры TiCl* изучены в работах [57-59]. Полученный из анали­ за интенсивностей полос для TiCl4 [53, 54] порядок уровней lf ( < З/ч < < 2 в, < 1 е < х... совпадает с результатами многочисленных расчетных работ, например [60—63]. Значения / в [54, 55] для МХ4 приведены в

табл. 5,11, Для внутренних валентных уровней

1 я ,, 1 12(013^) энергию свя­

зи электронов можно оценить из РЭ-спектров

TiCl4 в конденсированной

фазе. Значения 6,0 эВ для Ti—Cl-связывающих уровней и 15,9;

17,3 эВ

для Cl 3s-уров ней

[59]

дают для газовой фазы значения 23,1;

24,5 эВ.

Орбиталь р о*пта

2ах в

ФЭ-спектрах всех тетрагалогенидрв дает узкую

полосу, что хорошо согласуется с незначительным вкладом Мт -орбита- лей (~ 10%) по расчетным результатам [61]. Но авторы работы [55], обнаружив в этой полосе для T 1CI4 колебательную структуру t>( = 266 см- 1 (388 см"1 в основном состоянии ТЮ14) , отнести ее к М-С1-связывающе- му уровню 2гг . Ошибочность этого отнесения очевидна из результатов работы [56], в которой исследована зависимость полного и парциаль­ ных сечений поглощения, а также сечений ионизации от энергии фотона. Авторы [56] показали, что при достижении энергии фотона значения энер­ гии Зр -3^-резонанса (39 эВ) резко возрастают парциальные сечения по­

глощения

и ионизации

для M 02f2

и 1е, имеющих значительный вклад

(15-20%)

ЗЛ-состояний

(рис. 5.6).

Следовательно, можно считать одно­

значно установленным соответствие двух близких полос при 13,17 и

13,46 эВ в спектре Т1СЦ связывающим уровням 2ti

(М З^-Х Зр^)

и

le (М 3 d —X3p

), Две верхние

заполненные

орбитали

(1т( и 3Тг) пред­

ставляют собой

комбинации

-орбиталей

галогенов.

В работе . [55]

в

первых двух полосах спектра TiCU обнаружили структуру 146 и 190 мэВ соответственно, происхождение которой однозначно не установлено. Необходимо отметить близость значений энергий релаксации для d-элек­ тронов элементов подгруппы титана и энергий релаксации для лр-орби­ талей галогенов [54]. Поэтому имеет место совпадение последователь­ ностей рассчитанных одноэлектронных энергий и экспериментальных / в.

При замене атома титана на цирконий происходит сужение зоны валент­ ных электронов от 2,2 до 1,8 эВ вследствие понижения перекрывания вол­ новых функций С13р-орбиталей. Энергия связывающих уровней осталась неизменной, что при сужении валентной зоны означает увеличение кова­ лентного связывания М—С1. Связь H f-Cl по данным других эксперимен-

194

Таблица 5.11. Вертикальные потенциалы

ионизации

(эВ) для тетрагалогенидов

d-элементов [54, 55)

 

 

 

 

 

 

м х 4

1

(я)

3Tj(w)

3*i(°) + W(»r)

 

2 e,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

G3/l

ЕЧ1

GS/1

*V 3

E ip

G*/i

G 3j%

E\fi

« * u H

11,69

12,67

13,17

13,46

13,88

ZiCI4

11,94

12 ,58

13, 16

13,43

13,76

HfCl4

12,03

12,72

12,86

13,40

13,71

 

14,22

v a 4

9,3б*3

 

 

 

 

 

 

 

 

11,77

12,70

12,90

13,.53

13,64

14,27

Tier* 3

10,55

10,86

11,68

12,31

11,8

12,00

12,42

13,04

 

 

10,63

 

11,64

 

 

 

12,55

 

 

4

10,86

11,09

12,51

11,8

12,08

12,70

12,99

ZiBr

 

 

 

 

 

HfBi4

11,06

11,26

11,76

12,61

11,99

12,34

 

 

12,27

12,71

13,50

 

 

 

 

11,90

 

 

12,47

 

 

TiJ*J

9,22

9,77

10,45

11,19

10,23

10,68

11,34

11,92

 

 

9,32

 

 

 

 

 

 

 

ZxJ4

9,49

10,03

10,51

11,35

10,33

10,77

11,49

12,00

 

 

9,61

 

 

 

 

10,96

11,67

 

ш

4

9,48

10,05

10,56

11,45

10,37

10,82

11,56

12,47

 

 

9,57

 

10,67

 

 

10,95

11,68

 

31 Структура в первой полосе НТО см '1 и во второй - TS30 см"’ (»<,для TiCI4 =388 см '1), вероятно, обусловлена наложением спин-орбитального иян-теллеровско- го расщеплений, В полосе 2я,-уровня частота 266 см-1 отнесена к v t (T1-CI).

*’ Потенциал ионизации обусловлен одним 2в-электроном *3 По поводу отнесения - I t см. замечание в тексте.

тальных методов прочнее связи Z r-C l [54], В ФЭ*спектре НГСЦ на упроч­ нение связи указывает стабилизация связывающих уровней 212 (0,24 эВ), 1с (0,28 эВ) и 2й, (0,46 эВ) (см, табл, 5,11).

Во второй полосе спектра HfCL, (рис. 5.7) наблюдается расщепление 0,14 эВ, причину которого в работе [54] объяснить не удалось. С учетом аналогичного расщепления для OsO* (см, табл, 5,1) в полосе 3f2 -уровня, а также расщепления в полосе 2 iIUWF<; (см. ниже) это расщепление необ­ ходимо отнести к спин-орбитальному взаимодействию, обусловленному

вкладом заполненной 5р-орбитали металла.

 

 

Электронная структура молекулы

VCU,

имеющей

один электрон на

2 е-уровне, близка к структуре TiCl4

[53,

60, 61].

Понижение энергии

3d-уровня металла при переходе от Ti к V вызвало увеличение энергии связи электронов 2 и на 0,3 эВ. Обменное взаимодействие в ионе при­ водит к расщеплению полосы 3f2 -уровня (0,2 эВ) и уширению полос свя­ зывающих уровней.

Спин-орбитальное растепление уровней в бромидах и иодидах услож­ няет спектры и делает отнесение полос менее однозначным. Предложенное в работе [54] отнесение полос (см. табл. 5.11) на основании оценки вели­ чины расщепления не выглядит убедительным. В частности, вызывает

195

а

Не(Ш

TaCls , ,

/ N

__ I__I__ L

rs

to

12

IS £ э(

Puc. 5.7. Фотоэлектронные спектры MX4 (в) [54] к MX,

(б) [73)

 

Рис. S.8. Фотоэлектронный

 

спектр UF4 [64]

сомнение

инверсия по сравнению с МС14 уровней Зг2 (тг) и 2 12 (о), так

как она

не подтверждается изменением интенсивности полос в спектрах

Не(1) и Не (И) (см. рис. 5.7). Очевидно, в бромидах, как и в хлоридах, полосы в районе 11,5-12 эВ соответствуют Зг2 -электронам.

Тетрагалогениды /-элементов UF4, ThF4, UCI4 , ThCl4 методами рентгено- и фотоэлектронной спектроскопии исследованы в работах [64, 65].

194

Таблица 5.12. Вертикальные потенциалы ионизации (зВ) для галогенидов 5/оле-

ментов [64—66]

Отнесение

 

 

 

ThF„

UCI,

ThCI,

[64]

1 6 6 ]

 

 

 

 

 

51,

a 9,51

 

a 9,18

 

 

 

10,32

 

9,97

a ll,16

4Г.

 

al3,0

al2,75

 

 

41,

13,62

13,36

11,76

11,73

l'i

 

13,94

13,77

1 2 ,1 2

12,08

и .

14,72

14,52

12,82

12,78

3«,

1е + Зг,

15,58

15,43

13,07

13,05

31,

За,

16,13

16,11

13,47

13,40

21, (6р3/,)

2 f,(6 p v ,)

26,7

25,53

19,7

19,0

21, (б р ,/,)

211 (6p ,/a )

37,0

33,5

 

 

2«, (F2*)

 

37

36,7

 

 

11, (F 2s)

 

37

36,7

 

 

Выполнен расчет электронной структуры и значений / в для UF4 [6 6 , 67). В спектрах UF4 и UCL* в области 9-11 эВ наблюдается слабая полоса, обусловленная двумя 5/-электронами (рис, 5.8). Энергия связи лигандных орбиталей слабо зависит от металла (табл, 5.12). Авторы статей [64, 65] интерпретировали ФЭ-слектры галогенактинидов, приняв симметрию молекул Та . Как отмечено в работе [66), сведения о структуре UX4 про­ тиворечивые, понижение симметрии от Td до С3„ вызывает незначитель­ ные сдвиги и расщепление уровней лигандов, Выполненный недавно расчет UF4 в квазирелятивистском приближении метода Х^-РВ [66] дал последо­ вательность энергий ионизации

1л, > U2 > 2а, > 2гг > За, > 3Г2 > 1е > 1т, > 4Г2 > 5т2.

Расчет в нерелятивистском варианте Х^-РВ меняет местами уровни За, и

Зт2. Авторы статей [64, 65]

отнесли пять лигандных полос

(см. рис. 5.8)

к орбиталям в соответствии

с данными нерелятивистских

расчетов (см.

табл. 5.12, 5.13). Приведенные в табл. 5.14 расчетные результаты из работы [6 6 ] демонстрируют изменения при переходе от нерелятивистского к реля­ тивистскому варианту расчета. В релятивистском варианте s- и р -электроны сильнее локализуются вблизи ядра, увеличивая его экраниро­ вание для 5/-электронов. Сжатие s- и р -орбиталей приводит к понижению

их энергии и дестабилизации /-электронов

(см. орбитали 5

и 2 12,

1 а,

в табл, 5.14).

 

 

 

Релятивистское сжатие s- и р -орбиталей

[6 6 ] существенно

влияет

на

величину спин-орбитального расщепления. Наибольшее расщепление из лигандных уровней (03 эВ), предсказанное для 4(2 -орбитали, обуслов­ лено вкладом (~ 6%) 6р-орбиталей урана. Ясно, что столь значительное расщепление валентных уровней требует отнесения ФЭ-полос, отличаю­ щегося от предложенного в работе [64] на основе нерелятивистских расче­ тов (см. табл, 5.12). Авторы статьи [6 6 ] двум подуровням 412 сопоста-

197

Таблица 5.14. Орбитальные энергии (эВ) и заселенности (%) по нерелятивистским

(в числителе) и релятивистским (в знаменателе) расчетам UF,

(66 ]

 

МО

 

Us

и р

Ud

U г

F s

F р

Ч

6,4

 

0,4

3,7

91,7

0 ,2

3,9

 

3,7

 

0,1

4,4

94,3

0,3

1,0

 

9,5

 

10,5

3,7

2,7

0,1

81,4

 

9,9

 

5,7

2,4

0,5

0

90,0

ч

1 0 ,8

 

 

 

8,8

 

90,8

 

1 0 ,6

 

 

 

5,5

 

94,0

1е

10,9

 

 

5,7

 

 

94,0

 

10,8

 

 

6,3

 

 

93,4

з«,

1 1 ,2

3,5

 

 

2 1 ,1

0,1

74,8

 

11,5

S.1

 

 

10,7

0,3

83,2

St»

11,3

 

1,7

9,0

6 ,0

0

83,6

 

11,3

 

1,3

1 0 ,6

3,9

0 ,1

84,0

Ч

19,5

 

77,3

0

0

6,3

16,3

 

23,0

 

79,0

0 ,1

0

1 2 ,6

8 ,2

2 е,

28,0

16,8

 

 

1.9

80,4

0 ,6

 

29,0

2,4

 

 

2 ,0

95,1

0 ,1

Ч

29,8

 

6,7

1 ,8

0,5

90,0

0,7

 

30,0

 

13,2

1.7

0,5

83,3

1,1

Ч

34,2

79,4

 

 

0,4

17,2

1,9

 

49,0

98,1

 

 

0 ,0

1,0

0,9

вили сравнительно узкие полосы при 13,62 и 13,94 эВ. Интенсивное га и контуры трех оставшихся полос не противоречат отнесению их соответ­

ственно к 1 ft , + 3 t2, З а |. Следовательно, по данным работы

[66

], после­

довательность энергий ионизации для UF4 имеет вид; $ / 2 <

4 t2

< It, <

< 1е« Зг2 < За, < ...

 

 

т

 

 

Таблица 5.13. Рассчитанные энергии ионизации (эВ) с учетом спин-орбитального расщепления для UF4 [66] и без него [64]

MO

UF„

[66i

MO

uf4

ThF4

UC14

ThCI4

 

1

 

 

 

]

 

 

5/,

8,72

13.64

5f,

10,46

12,72

8,81

10,15

4f,

12,89

4f,

12,82

10,09

If,

13,80

13,83

If,

14,11

13,74

10,54

10,53

14,00

14.64

le

14,21

13,86

10,66

10,76

312

14,47

3«,

14,61

14,21

11,62

11,56

га,

14,85

31,24

3f,

14,68

14,32

11,46

11,56

21,

24,37

3f,

23,31

23,14

20,86

20,94

2а,

32,39

 

 

31,45

31,20

22.61

22,62

If,

33,12

34,89

»f,

33,32

32,64

24,19

24,17

 

 

 

4

38,10

37,17

35,95

35,99