Aquakomplexe: von der Ligandenfeldaufspaltung zum Energieprofil

Question

Aufgabe:

Es geht um eine wässrige Lösung von CrCl₃ x 6 H₂O, welche zu Beginn dunkelgrün ist und nach einer gewissen Zeit violett wird.

Die ersten Teilaufgaben beziehen sich auf die vorliegenden Komplexe (dunkelgrüner [CrCl₂(H₂O)₄]Cl und violetter [Cr(H₂O)₆]Cl₃) und deren Kristallfeldaufspaltung. Hier bin ich zu dem Schluss gekommen, dass bei beiden ein oktaedrisches Kristallfeld vorliegt und sich die Aufspaltungen so unterscheiden, dass deltaO beim violetten Komplex größer ist (da H₂O zu einer stärkeren Aufspaltung führt als Cl^-).

Teilaufgabe:

Wird die violette Lösung erwärmt, ändert sich die Farbe wieder zurück nach grün. Zeichnen Sie das Energieprofil für diese Reaktion.

Problem/Ansatz:

Ich würde dazu tendieren, dass der grüne Komplex mit der geringeren Ligandenfeldaufspaltung im Energiediagramm tiefer liegt. Da sich aber beim einfachen Abwarten zuvor die Farbe von grün nach violett verändert hat, würde das eher das Gegenteil für das Energiediagramm bedeuten. Falls das also tatsächlich so wäre, habe ich keine Ahnung warum...

Wie sieht das Energieprofil also aus und warum?

Answer 1

Antwort mit KI erzeugt

Energieprofil der Reaktion

Um das Energieprofil für die Umwandlung von [Cr(H₂O)₆]³⁺ (violetter Komplex) zurück zu [CrCl₂(H₂O)₄]⁺ (grüner Komplex) beim Erwärmen zu zeichnen, betrachten wir die beteiligten thermodynamischen und kinetischen Aspekte.

Die ursprüngliche Umwandlung von grün nach violett geschieht unter normalen Bedingungen und führt zu einem Gleichgewicht, das zeigt, dass [Cr(H₂O)₆]³⁺ thermodynamisch stabiler ist als [CrCl₂(H₂O)₄]⁺ in wässriger Lösung. Das liegt an der Entropie und der Energie, die mit der Ligandensubstitution von Cl⁻ durch H₂O verbunden ist. H₂O ist ein stärkerer Ligand als Cl⁻, was zu einer größeren Ligandenfeldaufspaltung bei dem violett gefärbten [Cr(H₂O)₆]³⁺-Komplex führt.

Beim Erwärmen der Lösung findet jedoch eine Rückreaktion statt, die den grünen Komplex zurückbildet. Die Wärmezufuhr erhöht die kinetische Energie der Moleküle und führt zu einer verstärkten Bewegung und Interaktion zwischen den Komplexen und den umgebenden Chloridionen. Dies begünstigt die Rückbildung von [CrCl₂(H₂O)₄]⁺ durch eine endotherme Reaktion, bei der die Energiezufuhr genutzt wird, um die Liganden um den Chromkomplex auszutauschen.

Das Energieprofil dieser Reaktion zeigt initial den Zustand des violett gefärbten [Cr(H₂O)₆]³⁺-Komplexes auf einem höheren Energielevel, da dieser Zustand durch Erwärmung der Lösung erreicht wurde. Die Energiebarriere, die überwunden werden muss, um die Rückreaktion zu initiieren, beinhaltet die Entfernung von Wassermolekülen und die Koordination von Chloridionen an das Chromzentrum. Sobald diese Energiebarriere überwunden ist, fällt die Gesamtenergie des Systems wieder ab, da sich der grüne [CrCl₂(H₂O)₄]⁺-Komplex bildet, welcher unter diesen Bedingungen (erhöhte Temperatur und Verfügbarkeit von Cl⁻-Ionen) kinetisch begünstigt ist.

Zusammenfassend zeigt das Energieprofil folgendes Bild:
- Start bei der Energie des [Cr(H₂O)₆]³⁺-Komplexes.
- Anstieg der Energiekurve, um die Aktivierungsenergie für die Bindungsdissolution von Wassermolekülen und die Anlagerung von Cl⁻-Ionen zu erfassen.
- Absinken zur Energie des [CrCl₂(H₂O)₄]⁺-Komplexes, der bei dieser erhöhten Temperatur stabiler ist.

Grund für den Energieabfall: Während [Cr(H₂O)₆]³⁺ thermodynamische Vorteile unter Standardbedingungen wegen der stärkeren Ligandenfeldaufspaltung und der damit verbundenen stabilen elektronischen Konfiguration bietet, ermöglicht die erhöhte Temperatur die Überwindung der kinetischen Barriere hin zur Bildung des [CrCl₂(H₂O)₄]⁺-Komplexes, der unter diesen veränderten Bedingungen energetisch bevorzugt ist.

Dieses Verhalten veranschaulicht die komplexe Wechselwirkung zwischen thermodynamischer Stabilität, Entropie, Ligandenfeldtheorie und den Einflüssen von Temperatur auf chemische Gleichgewichte.