大学 · 20分

なぜ銅(II)錯体は色を変えるのか

$\ce{[Cu(H2O)6]^{2+}}$ 、 $\ce{[Cu(NH3)4]^{2+}}$ 、 $\ce{[CuCl4]^{2-}}$ を切り替え、それぞれの色を配位子場分裂 $\Delta$ に結びつける。

目的

各錯体の示す色から配位子 $\ce{Cl^-}$ 、 $\ce{H2O}$ 、 $\ce{NH3}$ を場の強さで順位づける。

器具と試薬

異なる配位子環境の銅(II)溶液3本と、参照用の分光化学系列。

手順

水モードを選ぶ：六アクアイオンは淡い青。吸収する波長を確認する。
アンモニアに切り替える：過剰の $\ce{NH3}$ が水配位子を置き換え、色は濃い青紫になる。
濃 $\ce{HCl}$ に切り替える：四面体の $\ce{[CuCl4]^{2-}}$ イオンは緑黄色。3色を比較する。

観察すること

$\ce{[Cu(H2O)6]^{2+}}$ 淡青 → $\ce{[Cu(NH3)4]^{2+}}$ 濃い青紫 → $\ce{[CuCl4]^{2-}}$ 緑黄。
吸収波長は約 800 nm（弱場）から約 600 nm（より強い場）へ移り、 $\Delta$ は $\ce{Cl^-} < \ce{H2O} < \ce{NH3}$ の順に大きくなる。

解説

配位子場中の $d^9$ Cu(II) イオンは、d–d 分裂 $\Delta$ に等しいエネルギーの光子を1つ吸収する（ $E = h\nu = \Delta$ ）。強場配位子ほど $\Delta$ が大きく、吸収は短波長側へ移るので観測される（補）色が変わる： $\ce{[Cu(H2O)6]^{2+}}$ は淡い青（ $\lambda_{abs} \approx 800$ nm）、 $\ce{[Cu(NH3)4]^{2+}}$ は濃い青紫（約 600 nm）、四面体 $\ce{[CuCl4]^{2-}}$ は緑黄で分裂は $\Delta_t \approx \frac{4}{9}\Delta_o$ にすぎない。この順序が分光化学系列である。

ゆかりの化学者

アルフレート・ヴェルナー