Ligandikenttäteoria

Ligandikenttäteoria (LKT), englanniksi Crystal Field Theory (CFT), on malli, jota käytetään kuvaamaan siirtymämetallien kompleksien elektronista rakennetta ja ominaisuuksia. Teoria keskittyy siihen, miten metalli-ionin d-orbitaalit jakautuvat, kun metalli-ioni ympäröidään ligandeilla.

Keskeinen ajatus LKT:ssä on, että ligandit ovat pistevarauksia, jotka luovat sähköstaattisen kentän metalli-ionin ympärille. Tämä kenttä vaikuttaa metalli-ionin d-orbitaalien energiatasoon. Ilman ligandeja metalli-ionin viisi d-orbitaalia ovat degeneroituneita, eli niillä on sama energiataso. Kun ligandit lähestyvät, ne hylkivät metalli-ionin elektroneja, mikä johtaa d-orbitaalien energiatasojen jakautumiseen.

Jakautuminen riippuu kompleksin geometriasta. Esimerkiksi oktaedrisessä kompleksissa d-orbitaalit jakautuvat kahteen energiatason ryhmään: $t_{2g}$-tasoille (kolme orbitaalia) ja $e_g$-tasoille (kaksi orbitaalia). $e_g$-tasot ovat korkeammalla energialla kuin $t_{2g}$-tasot, koska ne osoittavat suoraan kohti ligandeja, jolloin niiden ja ligandien välinen poistovoima on suurempi.

Energiatasojen välistä eroa kutsutaan ligandikenttähajonnaksi, $\Delta_o$ (oktaedrisessä tapauksessa). Tämä hajonta selittää monia siirtymämetallikompleksien ominaisuuksia, kuten niiden värin (jos elektronit siirtyvät $t_{2g}$-tasoilta $e_g$-tasoille absorboimalla tiettyjä valon aallonpituuksia) ja magneettiset ominaisuudet. LKT auttaa myös ennustamaan kompleksin spin-valenssia, eli onko kyseessä korkea- vai matalaspin-kompleksi, riippuen $\Delta_o$:n suuruudesta suhteessa elektroniparien muodostumiseen tarvittavaan energiaan. LKT on yksinkertaistettu malli, joka ei ota huomioon kovalenttisia vuorovaikutuksia metallin ja ligandien välillä, mutta se tarjoaa hyvän perustan monien kompleksien käyttäytymisen ymmärtämiselle.