Jahnin–Tellerin ilmiö

Jahnin–Tellerin ilmiö eli JT-ilmiö on tietynlainen molekyylin kolmiulotteisen muodon vääristymä, joka liittyy elektronien samanenergiaisten energiatasojen spontaaniin symmetrian rikkoutumiseen: tasot siis menettävät samanenergiaisyytensä. Vääristymä tapahtuu, jotta molekyylin, esimerkiksi metallikompleksin, kokonaisenergia pienenee.
pienoiskuva| Muodoltaan oktaedrinen heksa-akvakupari(II) -metallikompleksi. Kuvan pitkittäinen akseli on pidempi suhteessa muihin JT-ilmiön vuoksi.
JT-ilmiötä tavataan erityisesti tietyillä oktaedrisillä metallikomplekseilla. Kompleksit litistyvät tai venyvät ilmiön vuoksi lähinnä yhdeltä akseliltaan. Ilmiötä voi ilmetä myös tetraedrisillä metallikomplekseilla. Ilmiö syntyy vain tietyn elektronirakenteen molekyyleissä.

Ilmiö on nimetty Hermann Arthur Jahnin ja Edward Tellerin mukaan. He havaitsivat ilmiön kokeellisesti 1937 ja soveltamalla ryhmäteoriaa kvanttimekaniikkaan osoittivat sitten väitteen, jonka mukaan molekyylissä samaenergiset (degeneroituneet) elektronitasot, jotka ovat täyttyneet epätasaisesti elektronein, eivät ole vakaita, ellei molekyyli ole suora (lineaarinen). Väite on Jahnin–Tellerin teoreema. Sen matemaattinen todistus on vaikea, mutta sen ratkaisu kunkin tarkastellun molekyylin kohdalla kertoo näiden muodon ja vääristymän suuruuden.

Yksinkertaistettu yleiskatsaus
pienoiskuva|Kuva 1. Vasemmalla kuvassa oktaedrisen kompleksin puristuma (z-in) ja oikealla venymä (z-out). Keskellä näkyy t2g ja eg ryhmiin silpoutuneet viisi d-orbitaalia. Huom: mustat nuolet osoittavat muutoksen suhteessa perustasoon, ja puristumaa tapahtuu x- ja y-akseleiden suunnassa kummassakin tapauksessa.|vasen
Samanenergiainen eli degeneroitunut elektronitaso on esimerkiksi oktaedrisen siirtymämetallikompleksin perusmuodon t2g-taso (kuva 1), koska siinä on samalla energiatilalla kolme elektroniorbitaalia (dxy, dxz, dyz). Keskusatomina olevan metallin d-orbitaalin viiden samanenergiaisen elektronitason jakautuminen kahteen energiseen t2g ja eg-orbitaaliin kompleksin perusmuodossa voidaan selittää kidekenttäteorian avulla, joka ei suoraan liity JT-teoreeman.

JT-teoreeman mukaan, kun samanenergiaiset elektronitasot täyttyvät epätasaisesti elektronein, ne ovat epävakaita. Siksi niiden täytyy rikkoutua vielä t2g ja eg-tasoja edemmälle, kuten kuvassa 1 on esitetty vasemmalla punaisella ja oikealla sinisellä. Epätasaisesta elektronitäyttymisestä puolestaan on esimerkki kuvassa 2.

Tasojen epävakaudesta aiheutuu esimerkin metallikompleksille korkea energia, joten sen energiatasot rikkoutuvat eri tasoille. Tasojen energiaerojen seurauksena molekyylin geometria muuttuu eli havaitaan JT-ilmiö.

Elektronirakenteeltaan sopivat oktaedriset kompleksit joko venyvät (z-out) tai litistyvät (z-in) (kuva 1) pystysuunnassa. Oktaedrissä z-out-muodossa z-komponentin omaavat d-orbitaalit (dz2, dxz, dyz) stabiloituvat (energia vähenee) ja muut destabiloituvat (energia lisääntyy). z-in-muodossa käy päinvastoin ja z-komponentin omaavat orbitaalit destabiloituvat ja muut stabiloituvat. z-out eli venymä on z-in-muotoa yleisempi.

pienoiskuva|Kuva 2. Yllä: JT-ilmiö havaitaan tetragonaalisena venymänä tai litistymänä oktaedrisissä high-spin d4 komplekseissa elektronien energian nettomuutoksen vuoksi (huomaa pariton elektronien määrä eg-orbitaalilla). Alla: JT-ilmiötä ei havaita jos energian nettomuutosta ei ole (huomaa parillinen elektronien määrä eg-orbitaalilla).
JT-ilmiö on näkyvin oktaedrisillä komplekseilla, joissa on pariton määrä elektroneja eg-elektronitasolla (kuva 2). Ilmiö on yleinen hapetusasteella +II olevalla kuparilla sen eri komplekseissa, kuten kupari(II)heksafluoridissa. Oktaedrisissä komplekseissa tasaisesti elektronein täyttyneillä orbitaaleilla (eli kun eg-orbitaalilla on elektroneja parillinen määrä) vääristymä ei madaltaisi niiden kokonaisenergiaa, joten JT-vääristymää ei havaita. JT-ilmiötä ei havaita esimerkiksi ioneilla Cr(III), Co(II) tai Ni(II). Taulukossa on alla esimerkkejä komplekseista, joissa JT-ilmiö havaitaan.
+JT-ilmiön oktaedrisissä komplekseissaSitoutumattoman keskusatomin d-elektronien määrä: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10Spin:HighLowHighLowHighLowHighLowIlmiön voimakkuus:HeikkoHeikkoVahvaHeikkoHeikkoHeikkoHeikkoVahvaVahvaEsimerkkejä:Sc(II), Ti(II), V(IV)Ti(II), V(III), Cr(IV)Cr(II), Mn(II)Cr(II), Mn(III)Fe(III)Fe(II)Co(II), Ni(III)Co(II), Ni(III)Cu(II), Ag(II)
pienoiskuva|Kuva 3. Tasoneliökompleksin muodostuminen voidaan kiistanalaisesti tulkita seuraukseksi oktaedrisen kompleksin äärimmäisestä JT-venymästä.
Kiistanalaisen tulkinnan mukaan äärimmäinen venymä aiheuttaa yhden akselin myötäisten ligandien poistumisen ja siten kompleksin tasoneliömuodon (kuva 3). Tasoneliömuotoa esiintyy, kun keskusatomina on Pt tai Pd.

 Katso myös 
 Ligandi (kemia)
 Koordinaatiosidos

 Lähteet 

Luokka:Epäorgaaninen kemia
Luokka:Materiaalitiede
Luokka:Kemia
Luokka:Kemiallinen sitoutuminen