Haut spin et bas spin

Un état bas spin s'établit lorsque l'énergie nécessaire pour placer un second électron dans une orbitale t_2g déjà occupée par un premier électron est inférieure à l'énergie nécessaire pour placer cet électron dans une orbitale e_g vide avec un surcroît d'énergie égal à Δ_O. En revanche, un état haut spin s'établit lorsque l'énergie nécessaire pour apparier deux électrons dans une orbitale t_2g est supérieure à l'énergie nécessaire pour placer un électron célibataire (non apparié) dans une orbitale e_g inoccupée malgré le surcroît d'énergie Δ_O.

Lorsque les orbitales ont des niveaux d'énergie largement séparés (donc lorsque Δ_O est élevé), les orbitales de basse énergie sont entièrement occupées avant que les orbitales de haute énergie reçoivent leurs premiers électrons. Il s'ensuit un état dit « bas spin » en raison du faible spin résultant puisque les spins d'électrons appariés s'annulent. En revanche, lorsque les niveaux d'énergie des orbitales sont suffisamment proches (lorsque Δ_O est faible), les orbitales de haute énergie reçoivent leurs premiers électrons alors que les orbitales de basse énergie ne sont encore peuplées que d'électrons célibataires, ce qui donne lieu à un état dit « haut spin » ; jusqu'à cinq électrons célibataires peuvent ainsi occuper chacune des cinq orbitales d, ce qui donne un spin résultant élevé.

• État bas spin et état haut spin
• 
  État bas spin avec un ligand à champ fort ([Fe(NO₂)₆]³⁻).
• 
  État haut spin avec un ligand à champ faible ([FeBr₆]³⁻).

Pour un métal de transition donné, la valeur de Δ_O tend à croître lorsqu'on se déplace de haut en bas d'un groupe du tableau périodique. Elle est ainsi plus élevée pour les métaux de transition de la période 5 et de la période 6, et est généralement suffisamment élevée pour que les complexes octaédriques de ces métaux ne présentent que des états bas spin, et ce même en présence de ligands à champ faible. Seuls les complexes octaédriques de métaux de transition de la période 4 sont susceptibles d'osciller entre états haut spin et bas spin en fonction des ligands qu'ils contiennent.

La charge électrique de l'ion métallique influence également la valeur de Δ_O. Par exemple, les cations Fe²⁺ et Co³⁺ ont tous les deux une configuration électronique en d⁶ mais la charge plus élevée du cobalt crée un champ de ligand plus élevée que celui du fer ferreux. Toutes choses étant égales par ailleurs, Fe²⁺ a plus de chances d'être haut spin que Co³⁺.

Enfin, l'état haut spin ou bas spin est également déterminé par la nature des ligands, comme le décrit la série spectrochimique. Les ligands à champ fort comme le cyanure CN⁻ et le monoxyde de carbone CO accroissent le Δ_O et ont plus de chances de donner des complexes bas spin tandis que les ligands à champ faible comme les ions iodure I⁻ et bromure Br⁻ induisent un Δ_O plus étroit de sorte que leurs complexes ont une probabilité plus élevée d'être haut spin.