Khoá luận tốt nghiệp xây dựng hệ thống bài tập phức chất c

Các định hướng nghiên cứu khoa học của lĩnh vực “Hóa học phức chất” đều hướng tới ứng dụng mang nhiều thành tựu kết quả đóng góp cho khoa học Hóa vô cơ trong nước và các tổ chức quốc bộ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC s ư PHẠM HÀ NỘI 2

C h u yên n gàn h: H óa học V ô cơ

Người hướng dẫn khoa học

ThS H O À N G Q UANG BẮC

HÀ NỘI - 2015

LỜI CẢM ƠN

Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới ThS Hoàng Quang Bắc, người

thầy đã tận tình chu đáo và giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn

Em xin trân thành cảm ơn các thầy , cô giáo trong Khoa Hó a Học đã truyền đạt cho em rất nhiều kiến thức quý báu trong suốt thời gian học tập tại đây

Do điều kiện thời gian và trình độ còn hạn chế , nên khóa luận này không tránh khỏi nhũng thiếu sót Em rất mong nhận được sự góp ý của thầy,

cô giáo để khóa luận của em được hoàn thiện hơn

Hà Nội, tháng 5 năm 2015

Người thực hiện

Trần Thị Thu Hằng

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 : TÒNG QUAN 5

1.1 Tổng quan về bài tập 5

1.1.1 Khái niệm về bài tập hoá học 5

1.1.2 Tác dụng của bài tập hoá học 5

1.1.3 Các loại bài tập hóa học phức ch ấ t 7

1.2 Tổng quan về phức chất 9

ỉ 2.1 Nhữỉíg khái niệm cơ bản của hóa học phức chất 9

1.2.2 Ion trung tâm và phoi t ử 1 1 1.2.3 sẳ phối trí 12

1.2.4 Dung ỉưọng phối trí của phối từ 14

1.2.5 Cách gọi tên phức chất 16

1.2.6 Phân loại phức chất 17

Chương 2 XÂY D ựN G HỆ THÓNG BÀI TẬP ĐỊNH TÍNH PHỨC CHẤ T 21

2.1 Xây dựng bài tập về cấu tạo của phức chất 21

2.2 Xây dựng bài tập về liên kết trong phức ch ất 27

Chương 3 XÂY DỤNG HỆ THÓNG BÀI TẬP ĐỊNH LƯỢNG PHỨC CHẤ T 31

KẾT LUẬN 58

TÀI LIỆU THAM KHẢO 59

PHỤ LỤ C 60

MỞ ĐÀU

1 Lí do chọn đề tài

Hiện nay việc phát triến của hóa học lý thuyết rất mạnh và nó được đưa vào áp dụng trong thời gian ngắn nhất để giúp cho hoá học thực nghiệm đi đến kết quả nhanh nhất

Việc tống họp những chất mới có những tính chất mong muốn dựa trên những nghiên cứu của hóa học lý thuyết về mối tương quan cấu trúc - tính chất, Do vậy, trong việc tổng hợp các chất vô cơ hóa học lý thuyết giúp rút ngắn thời gian và công tác thực nghiệm Các định hướng nghiên cứu khoa học của lĩnh vực “Hóa học phức chất” đều hướng tới ứng dụng mang nhiều thành tựu kết quả đóng góp cho khoa học Hóa vô cơ trong nước và các tổ chức quốc

bộ môn Hóa vô cơ cũng vậy, cần phải xây dựng một hệ thống bài tập nhằm giải quyết các vấn đề lý thuyết trong các giáo trình đồng thời phải gắn với những vấn đề của nền công nghệ mới

Tuy nhiên, hiện nay có thể nói rằng chưa có một sách bài tập phức chất

cụ thể nào và các sách bài tập hóa vô cơ kể cả sách nước ngoài dành cho bậc đại học rất ít, thậm chí chưa có một tài liệu nào đưa ra hệ thống bài tập nhằm tăng cường hoạt động của sinh viên và thúc đẩy ở họ những suy nghĩ sáng tạo, hình thành những tư duy logic và năng lực giải quyết những vấn đề thực

tế Nội dung lý thuyết về phức chất trong hoá học phổ thông được đề cập rất ít

kể cả những tài liệu dành cho học sinh giỏi cũng như bồi dưỡng giáo viên, nhưng chủ yếu được trình bày trên cơ sở nêu ra những phức chất đơn giản hay

mô tả những hiện tượng bên ngoài hay định tính, một cách đơn giản mà chưa

đi sâu vào bản chất của cân bằng của phản ứng tạo thành phức chất Điều này khó đảm bảo để các em có thể giải quyết trọn vẹn được các bài toán định tính, bán định lượng và định lượng hoá học về cân bằng tạo phức được ra dưới các dạng khác nhau trong các đề thi học sinh giỏi quốc gia và quốc tế Trong khi

đó phức chất là một lĩnh vực không còn xa lạ với các nước trên thế giới và ngày càng xuất hiện nhiều trong các kì thi quốc gia cũng như quốc tế Trong các đề thi vòng loại của nhiều quốc gia hay trong các bài tập chuẩn bị (Preparatory propblems) hoặc trong nhiều đề thi olimpic Hoá học quốc tế (International Chemistry Olimpiad (IchO) đã đề cập khá sâu đến cân bằng tạo phức và chuẩn độ tạo phức

Việc đề xuất một hệ thống bài tập với nội dung liên quan đến hóa học phức chất phù họp với chương trình hóa vô cơ bậc đại học với các dạng và các mức độ khác nhau (kèm theo hướng dẫn) là một công việc cần thiết nhằm giúp cho sinh viên nắm vững những kiến thức được trang bị trong giáo trình hóa học vô cơ, đồng thời đó còn là một tài liệu giúp cho sinh viên trong việc

tự học và rèn luyện để nâng cao tầm nhìn về mối quan hệ giữa lý thuyết và thực nghiệm

Vì nhũng lý do trên đã thôi thúc tôi lựa chọn đề tài:

“XÂY DựNG HỆ THỐNG BÀI TẬP PHỨC CHÁT”

2 Mục đích của đề tài

Việc thực hiện đề tài nhằm xây dựng hệ thống bài tập phức chất có tính chọn lọc cho sinh viên và học sinh giỏi quốc gia, quốc tế bao gồm những vấn đề lý thuyết, vận dụng lý thuyết về cấu trúc, danh pháp, liên kết trong phức chất, cân bằng tạo phức, xây dựng tiêu chí các bài tập về danh pháp, cấu trúc, liên kết trong phức chất và phân loại chúng một cách đơn giản nhất phục vụ cho sinh viên học tập, góp phần nâng cao chất lượng học tập môn hóa học vô cơ ở trường đại học cũng như phục vụ cho thi học sinh giỏi quốc gia và quốc tế

3 Nhiệm vụ của đề tài

- Nghiên cứu cơ sở lí luận về bài tập và cơ sở lí thuyết hoá học

- Nghiên cún nội dung và phân loại kiến thức về hóa học vô cơ bậc đại học

- Đe xuất bài tập phần vô cơ nhằm giúp sinh viên thực hiện quá trình tự bồi dưỡng

- Vận dụng lí thuyết để giải quyết các bài tập

4 Phương pháp nghiên cứu

Trong quá trình nghiên cứu đề tài, chúng tôi sử dụng kết hợp nhiều phương pháp:

- Phương pháp đọc sách và tài liệu tham khảo

+ Đọc các sách giáo trình để tham khảo

+ Tìm hiểu tài liệu có liên quan đến đề tài: Sách, báo, tạp chí, nội dung chương trình, các đề thi olimpic sinh viên hoá học trong nước và quốc tế

- Phương pháp chuyên gia.

Tìm hiểu, thu thập tài liệu, xử lý các bài tập bằng cách tham khảo ý kiến của các giảng viên giỏi thuộc lĩnh vục nghiên cứu đề tài và có kinh nghiệm giảng dạy

5 Những đóng góp mới của đề tài

Chương 1: TỎNG QUAN

1.1 Tổng quan về bài tập

1.1.1 Khái niệm về bài tập hoá học

Trong cuốn Từ điển Tiếng Việt - 1992 (trang 40, 41) đã định nghĩa bài tập như sau: “Bài tập là những bài ra cho học sinh để tập vận dụng những điều

đã học” Sau khi nghe giảng bài xong, nếu sinh viên nào giải được các bài tập

mà giảng viên đưa ra thì có thể xem như sinh viên đó đã lĩnh hội một cách tương đối những kiến thức do giảng viên truyền đạt

Nội dung của bài tập hoá học thông thường bao gồm nhũng kiến thức chính yếu trong bài giảng Bài tập hoá học có thể là những bài tập lý thuyết đơn giản chỉ yêu cầu sinh viên nhớ và nhắc lại những kiến thức vừa học hoặc

đã học xong nhung cũng có thể là những bài tập tính toán liên quan đến cả kiến thức hoá học lẫn toán học, đôi khi bài toán tổng họp yêu cầu sinh viên phải vận dụng nhũng kiến thức đã học từ trước kết hợp với những kiến thức vừa học để giải Tuỳ vào mục đích của bài học mà bài tập có thể giải dưới nhiều hình thức và nhiều cách giải khác nhau

1.1.2 Tác dụng của bài tập hoá học

Giải bài tập hoá học chính là một trong những phương pháp tích cực nhất để kiểm tra khả năng tiếp thu kiến thức của sinh viên Thông qua bài tập, giảng viên có thể phát hiện những sai sót yếu kém của sinh viên mà qua đó có những kế hoạch rèn luyện kịp thời giúp sinh viên vượt qua nhũng khó khăn trong khi giải bài tập hoá học Chính vì vậy bài tập hoá học có những tác dụng lớn sau:

1.1.2.1 Làm cho sinh viên hiêu sâu và khẳc sâu kiến thức đã học

Bài tập hoá học giúp cho sinh viên nhó’ lại tính chất của các chất,phương trình phản ứng; hiểu sâu hơn về các nguyên lý và định luật hoá học

Những kiến thức (định nghĩa, khái niệm .) chưa được vững hoặc chưa được nắm kỹ thì thông qua việc giải bài tập sẽ giúp sinh viên hiểu sâu hơn và nhớ lâu hơn Ngoài ra, giải bài tập hóa học cũng giúp sinh viên ôn tập các kiến thức về các môn khác như: toán, lý, sinh .

Ị 1.2.2 Cung cấp thêm nhữiĩg kiến thức mới và mở rộng sự hiếu biết mà không làm nặng nề khối lượng kiến thức của sinh viên

Ngoài tác dụng củng cố các kiến thức đã học, bài tập hoá học còn cung cấp thêm những kiến thức mới, mở rộng sự hiểu biết của sinh viên một cách sinh động, phong phú mà không làm nặng nề khối lượng kiến thức của sinh viên

1.1.2.3 Hệ thống hoá các kiến thức đã học

Đối với các bài tập có tác dụng hệ thống hoá kiến thức cần đòi hỏi sinh viên phải vận dụng tổng hợp các kiến thức và sự hiểu biết của mình có thể là những kiến thức vừa mới học hoặc những kiến thức đã học từ trước Tự mình làm các bài tập sẽ giúp sinh viên củng cố kiến thức cũ của mình một cách thường xuyên Dạng bài tập tổng hợp buộc sinh viên phải huy động vốn hiểu biết của nhiều chương, nhiều bộ môn

1.1.2.4 Thưòng xuyên rèn luyện các kỹ năng, kỹ xảo về hoá học như

Trong quá trình giải các bài tập, sinh viên đã tự rèn luyện việc lập công thức, cân bằng phương trình, các thủ thuật tính toán Nhờ việc thường xuyên giải các bài tập, lâu dần các kỹ năng đó sẽ phát triển thành các kỹ xảo giúp sinh viên có thể ứng xử nhanh trước những tình huống xảy ra

ỉ 1.2.5 Phát trỉến kỹ năng: (so sánh, quy nạp, diên dịch, phân tích, tong hợp, loại suy, khải quát hoả .)

Mọi bài tập hoá học giảng viên ra cho sinh viên đều có những điểm nút,

để mở nhũng điểm đó sinh viên bắt buộc phải tư duy để sử dụng hoặc phương pháp quy nạp, diễn dịch, hoặc phương pháp loại suy Nhò’ vậy tư duy sinh viên được phát triển và năng lực làm việc độc lập của sinh viên được nâng cao

Trong quá trình giải các bài toán hoá học, sinh viên buộc phải tái hiện lại các kiến thức cũ, xác định mối liên hệ giữa các điều kiện đã có và yêu cầu của

đề bài thông qua các hoạt động như phân tích, tổng hợp, phán đoán, loại suy

đế tìm ra lời giải Theo kinh nghiệm cho thấy sinh viên tự mình tìm hiêu kiến thức thì các kiến thức đó mới khắc sâu và sinh viên mới nhớ lâu được

1.1.2.6 Giáo dục tư tưởng đạo đức

Giải bài tập hoá học chính là rèn luyện cho sinh viên tính kiên nhẫn, trung thực trong khoa học, tính cẩn thận, tính độc lập sáng tạo khi giải quyết các vấn đề xảy ra, tính chính xác trong khoa học Việc tự mình giải các bài tập hoá học thường xuyên góp phần rèn luyện cho sinh viên tinh thần kỷ luật, tính tự kiềm chế, cách suy nghĩ và trình bày chính xác khoa học, qua đó nâng cao lòng yêu thích bộ môn

ỉ 1.2.7 Giáo dục kỹ năng tong hợp

Bộ môn hoá học có nhiệm vụ giáo dục kỹ thuật tổng hợp Bài tập hoá học tạo điều kiện tốt cho nhiệm vụ giáo dục này phát triển vì những vấn đề kỹ thuật của nền sản xuất được biến thành nội dung của bài tập hoá học

Bài tập hoá học còn cung cấp cho sinh viên những số liệu mới về các phát minh, về năng suất lao động, về sản lượng mà ngành sản xuất hoá học đạt được giúp sinh viên hoà nhập vào sự phát triến khoa học kỹ thuật của thời đại mình đang sống

1.1.3 Các loại bài tập hóa học phức chất

1.13.1 Bài tập về cấu tạo của phức chất

Danh pháp của phức chất

* Kiến thức cơ bản cần nắm được:

- Từ công thức cấu tạo, nắm được cách gọi tên phức chất tuân theo những quy tắc nào: giống với hợp chất đơn giản, tên gọi của phức chất bao gồm tên của cation và tên của anion Tên gọi của ion phức gồm có: số phối tử

và tên phối tử là anion, số phối tử và tên của phối tử là phân tử trung hòa, tên của nguyên tử trung tâm và số oxi hóa.

+ Nguyên tử trung tâm và số oxi hóa:

Neu nguyên tử trung tâm ở trong cation phức, người ta lấy tên của nguyên tử đó kèm theo số La Mã viết trong dấu ngoặc đơn để chỉ số oxi hóa khi cần

Neu nguyên tử trung tâm ở trong anion phức, người ta lấy tên của nguyên tử đó thêm đuôi at và kèm theo số La Mã viết trong dấu ngoặc đơn để chỉ số oxi hóa , nếu phức chất là axit thì thay đuôi at bằng đuôi ic

* Kiến thức cần nâng cao:

- Từ tên gọi của phức chất có thể suy ra công thức cấu tạo của phứcchất

Đồng phân của phức chất

- Viết được các đồng phân của phức chất và dựa vào dấu hiệu nhận biết phức chất đó thuộc kiểu đồng phân nào?

- Phức chất có những kiểu đồng phân chính là đồng phân hình học

(đồng phân cỉs - trans) và đồng phân quang học Ngoài ra còn có các kiểu

đồng phân khác như đồng phân phối trí, đồng phân ion hóa và đồng phân liên kết Vì vậy phải biết cách nhận biết các phức chất thuộc kiểu đồng phân nào

+ Đồng phân cỉs - trans: chỉ có ở phức chất vuông, phức tứ diện không

có đồng phân này vì hai đỉnh của bất kì tứ diện nào đều ở về một phía đối với nguyên tử trung tâm

+ Đồng phân quang học: xuất hiện khi phối tủ’ không có mặt phang đốixứng

+ Đồng phân phối trí: có sự trao đổi về lớp vỏ của phối trí

+ Đồng phân ion hóa: có sự sắp xếp khác nhau của anion trong cầu nội

và cầu ngoại

+ Đồng phân liên kết: xuất hiện khi trong một phối tử có thể phối trí ở nhiều vị trí khác nhau

1.1.3.2 Bài tập về liên kết trong phức chất

- Biết năng lượng ghép đôi p, năng lượng tách À, so electron độc thân có thể tính được momen từ, xét tính chất từ của phức chất, xét xem phức chất nào bền, vẽ giản đồ năng lượng của chúng

- Dùng các thuyết liên kết hóa trị, thuyết VB, thuyết trường tinh thể để biểu diễn cấu hình của phức chất

- Bài tập liên quan đến phổ hấp phụ electron và màu của phức chất từ

đó có thể nhận biết ion kim loại, xác định nồng độ ion kim loại (hóa phân tích), nhận biết phối tử

- Ngoài ra còn có các bài tập liên quan đến các bài tập của phép phân tích định lượng thường hay gặp trong bộ môn Hóa học phân tích

1.2 Tổng quan về phức chất

1.2.1 Nhũng khái niệm cơ bản của hóa học phức chất

Từ các kiến thức đã học, chúng ta gặp hai loại hợp chất đó là: một là, họp chất đơn giản hay các họp chất bậc nhất được tạo thành từ các ion, nguyên tử hoặc các gốc kết họp với nhau, ví dụ các oxit (Na2 0 , CuO, ), các halogenua (NaCl, CuCl2,.-.)- Hai là, hợp chất phức tạp hay các hợp chất bậc

cao (họp chất phân tử), chúng được tạo thành từ những họp chất đơn giản, ví dụ:

K2HgI4(HgI2.2KI); Ag(NH3)2Cl(AgC1.2NH 3); K4Fe(CN)6;[Fe(CN)2.4KCN] Từ đó các nhà bác học đã đưa ra rất nhiều định nghĩa của phức chất

Theo A Werner, phức chất là những họp chất phân tử (bậc cao), bền

trong dung dịch nước, không phân hủy hoặc phân hủy rất ít tạo ra các họp phần tạo thành chúng Ví dụ:

C0CI3.6NH3 = Co(NH3)63+ + 3 C l\ hoàn toàn

Co(NH3)63+ = Co3+ + 6 NH3, không hoàn toàn

Trong lịch sử phát triển của hoá học phức chất đã có nhiều định nghĩa về phức chất của các tác giả khác nhau Tác giả của các định nghĩa này thường thiên về việc nhấn mạnh tính chất này hay tính chất khác của phức chất, đôi khi dựa trên dấu hiệu về thành phần hoặc về bản chất của lực tạo phức

Sở dĩ chưa có được định nghĩa thật thoả đáng về khái niệm phức chất

vì trong nhiều trường hợp không có ranh giới rõ rệt giữa hợp chất đơn giản

và phức chất Một hợp chất, tuỳ thuộc vào điều kiện nhiệt động, khi thì được coi là hợp chất đơn giản, khi thì lại được coi là phức chất Chẳng hạn,

ở trạng thái hơi natri clorua gồm các đơn phân tử NaCl (hợp chất nhị tố đơn giản), nhưng ở trạng thái tinh thể, thì như phép phân tích cấu trúc bằng tia X

đã chỉ rõ, nó là phức chất cao phân tử ( N a C l ) n , trong đó mỗi ion Na+ được phối trí một cách đối xứng kiểu bát diện bởi 6 ion c r , và mỗi ion c r được

phối trí tương tự bởi 6 ion Na+

Theo A Ginbe, phức chất là những hợp chất phân tử xác định, khi

kết hợp các họp phần của chúng lại thì tạo thành các ion phức tạp tích điện dương hay âm, có khả năng tồn tại ở dạng tinh thể cũng như ở trong dung dịch Trong trường hợp riêng điện tích của ion phức tạp đó có thể bằng

không Ví dụ: Cu(NO ) 4Py Định nghĩa này tất nhiên cũng chưa thật hoàn

hảo vì bao gồm cả các oxi axit kiếu H2SO4 và các muối sunfat Điều này

không phải là nhược điểm, vì về một số mặt có thể coi các hợp chất này là phức chất

Cho đến gần đây K B Iaxim irxki cho rằng: Phức chất là những họp

chất tạo được các nhóm riêng biệt từ các ion, nguyên tử hoặc phân tử với những đặc trưng:

- Có mặt sự phối trí

- Không phân ly hoàn toàn trong dung dịch

- Có thành phần phức tạp (số phối trí và hóa trị không trùng nhau).Trong ba dấu hiệu này tác giả nhấn mạnh sự phối trí, nghĩa là sự phân

bố hình học các nguyên tử hoặc các nhóm nguyên tử quanh nguyên từ của một nguyên tố khác

Do có mặt sự phối trí trong phân tử nên hiện nay người ta còn gọi phức chất là hợp chất phối trí Tuy nhiên, khái niệm “phức chất” rộng hon khái niệm “hợp chất phối trí” Phức chất còn bao gồm cả những hợp chất phân tử trong đó không thế chỉ rõ được tâm phối trí và cả những hợp chất xâm nhập

Khi tạo thành phức chất các hợp chất đơn giản không thể kết hợp với nhau một cách tuỳ tiện mà phải tuân theo những quy luật nhất định Các quy luật dùng làm cơ sở cho việc điều chế phức chất, cũng như các quy luật điều khiển quá trình hình thành chúng sẽ được nghiên cún trong môn hoá học phức chất

1.2.2 Ion trung tâm và phối tử

Thông thường ion trung tâm (“nhân” phối trí) là cation kim loại hoặc oxocation kiểu UƠ22+, T i0 2+ còn phối tử (ligand) có thể là các ion hoặc phân tử vô cơ, hữu cơ hay cơ nguyên tố Các phối tử hoặc không tương tác

với nhau và đẩy nhau, hoặc kết hợp với nhau nhờ lực hút kiểu liên kết hiđro Tổ hợp các phối tử liên kết trực tiếp với ion trung tâm được gọi là cầu nội phối trí.

Các phối tử liên kết với ion trung tâm bằng các liên kết hai tâm 6,71, ô

và bằng các liên kết nhiều tâm Các liên kết hai tâm ion trung tâm - phối từ được thực hiện qua các nguyên tử cho của phối tử; liên kết 6 kim loại - phối

tử thường là liên kết cho - nhận: nguyên tử cho của phối tử công cộng hoá cặp electron không liên kết của mình với cation kim loại, cation này đóng vai trò chất nhận:

— Ni2+ + : NH3 —» [— Ni : NH3]

Các phối tử qua nguyên tử cacbon thường là các gốc (ví dụ *CH3) và tương tác của chúng với nguyên tử kim loại là sự hình thành liên kết cộng hóa trị nhờ sự ghép đôi các electron Cách thức này thường gặp trong hóa học của các hợp chất cơ kim

v ề hình thức có thể coi liên kết M - CH3 là kết quả tương tác của

nguyên tử cho c trong anion CH3' với cation kim loại Là chất cho electron

a , phối tử có thế đồng thời đóng vai trò chất cho hoặc chất nhận các electron 7C Điều này xảy ra với những phối tử mà phân tử của chúng là chưa bão hoà, ví dụ co, NO, C N '

Có nhiều phức chất ion trung tâm là phi kim, ví dụ trong ion amoni NH4+, oxoni H30 +, đóng vai trò ion trung tâm là nitơ và oxi

1.2.3 Số phối trí

Werner gọi hiện tượng nguyên tử (ion) trung tâm hút các nguyên tử (ion) hoặc các nhóm nguyên tử bao quanh nó là sự phối trí Còn số các nguyên tử hoặc các nhóm nguyên tử liên kết trực tiếp với nguyên tử (ion)

trung tâm được gọi là số phối trí của nguyên tử (ion) trung tâm đó (viết tắt là

s.p.t.)

Nguyên tử trung hoà và các ion của nó về mặt lý thuyết phải có khả năng phối trí khác nhau Bởi vậy không nên nói chung chung về s.p.t của platin hoặc của coban, mà phải nói s.p.t của Pt(II), Pt(IV), của Co(II), Co(III) Neu liên kết ion trung tâm - phối tủ’ là liên kết hai tâm thì số phối trí bằng số liên kết tạo bởi ion trung tâm đó, nghĩa là bằng số nguyên tử cho liên kết trực tiếp với nó Số phối trí có thể là cao hoặc thấp Ví dụ ion Ag+ trong [Ag(NH3)2]OH có s.p.t = 2, ion Al3+ trong [A1(H20 )6]C13 có s.p.t = 6, ion La3+ trong [Ьа(Н20 )9](Ж)з)з có s.p.t = 9 Trong một số trường hợp s.p.t có thể còn cao hơn nữa, ví dụ đối với phức chất của đất hiếm, ion đất hiếm còn có thể có s.p.t = 12 Các số phối trí thường gặp là 4, 6 và 2 Chúng tương ứng với các cấu hình hình học có đối xứng cao nhất của phức chất: bát diện (6),

tứ diện hoặc vuông (4) và thẳng (2)

Thực nghiệm cho biết rằng có những ion được đặc trang bằng s.p.t không đổi, ví dụ các ion Co(III), Cr(III), Fe(II), Fe(III), Ir(III), Ir(IV), Pt(IV), đều có s.p.t = 6, không phụ thuộc vào bản chất của phối tử cũng như vào các yếu tố vật lý Một số ion có s.p.t không đổi là 4: C(IV), B(III), Be(II), N(III), Pd(II), Pt(II), Au(III)

Đối với đa số các ion khác s.p.t thay đổi phụ thuộc vào bản chất của phối tử và vào bản chất của ion kết hợp với ion phức Ví dụ, Cu(II) có s.p.t

3, 4, 6 (phức chất với s.p.t 6 kém bền); Ni(II) và Zn(II) có s.p.t 6, 4, 3 (phức chất với s.p.t 6 của chúng bền hơn của Cu(II)); Ag(I) có s.p.t 2 hoặc 3; Ag(II) có s.p.t 4 Sau đây là ví dụ về một số phức chất của chúng: [CuEn3]S 0 4; [CuEn3][PtCl4]; [CuEn3](N0 3)2.2H2 0 ; [CuPy6](N0 3)2;(NH3)4](SCN)2; [Cu(NH3)4]S0 4.H2 0 ; [CuPy4](N0 3)2;[Cu(H2 0 )4]S0 4.H2 0

số phối trí còn phụ thuộc vào nhiệt độ Thường khi tăng nhiệt độ thì tạo ra ion có s.p.t thấp hơn Ví dụ, khi đun nóng hexammin coban (II) cao hơn 150°c thì tạo thành điamin, đồng thời s.p.t của Со (II) từ 6 chuyển sang 4.

[Co(NH3)6]C12 < >150°c > [Co(NH3)2]C12 + 4 NH3

Sự bão hoà s.p.t có ảnh hưởng đến độ bền của trạng thái hoá trị của nguyên tố Thường sự phối trí của các phối tử khác nhau đối với ion kim loại làm tăng độ bền của trạng thái hoá trị cao nhất Ví dụ, trong các họp chất đơn giản trạng thái Co(III) kém bền, trong khi đó nhiều phức chất của Co(III) có độ bền cao

Thông thường s.p.t lớn hơn số hóa trị của ion trung tâm Chẳng hạn, trong nhiều dẫn xuất của Pt (IV) ([Pt(NH3)2Cl4], K2[PtCl6]); của Co(III) ([Co(NH3)6]Cl3, [Co(NH3)4(N 02)2]C1; của Ir(III), Ir(IV) (K3[IrCl6L

K2[IrCl6]) s.p.t của ion trung tâm bằng 6 Neu những gốc đa hoá trị kết hợp với ion trung tâm thì s.p.t có thể nhỏ hơn số hoá trị Điều này thể hiện trong nhiều muối của oxiaxit (sunfat, clorat, peclorat ) Chẳng hạn, trong ion

S 04 2 có 4 ion o2 phối trí, nghĩa là s.p.t của S(VI) bằng 4 Có trường hợp s.p.t bằng số hoá trị, ví dụ ở C(IV)

1.2.4 Dung lượng phối trí của phối tử

Trong cầu nội phối trí mỗi phối tử có dung lượng phối trí của nó Dung

ỉưọng phối trí (d.l.p.t.) của một phối tử là số vị trí phối trí mà nó chiếm được

trong cầu nội Các phối tử liên kết trục tiếp với ion trung tâm bằng một liên kết thì có d.l.p.t 1 Đó là các gốc axit hóa trị 1, các phân tử trung hoà như NH3, CH3NH2, C5H5N, H20 , C2H5OH , các ion đa hóa trị như o 2', N3' Nếu một phối tử liên kết với ion trung tâm qua hai hay một số liên kết, thì phối tử

đó chiếm hai hoặc nhiều hơn vị trí phối trí và được gọi là phối tử phối trí hai, phối trí ba hoặc đa phối trí (hoặc còn gọi là phối tử hai càng, ba càng hoặc đa

càng) Các gốc axit SO42, c20 42' , các phân tử trung hoà như etilenđiamin

NH2-CH2- CH2-NH2 có d.l.p.t 2, triaminopropan CH2NH2-CHNH2-CH2NH2

có d.l.p.t 3

Phân tử của các phối tử đa phối trí liên kết với ion trung tâm trong cầu nội qua một số nguyên tử, tạo thành các vòng và những phức chất chứa

phối tử tạo vòng được gọi là phức chất vòng (phức chất vòng càng, hợp chất

chelat) Ví dụ, khi cho đồng (II) hiđroxit tương tác với axit aminoaxetic (glyxin) thì tạo thành phức chất trung hòa:

Natri trioxalatoferrat (III) ổ/s-(etilenđiamin) đồng (II) clorua

Ớ hoá học hũu cơ người ta biết rằng những vòng 5 hay vòng 6 cạnh là những vòng bền nhất, có năng lượng tự do nhỏ nhất Những vòng 4 cạnh kém bền hơn, còn vòng 3 cạnh rất không bền Những điều này cũng được áp dụng vào lĩnh vực phức chất Ờ đây ion oxalat tạo vòng 5 cạnh nên có xu hướng tạo phức mạnh hơn so vói ion sunfat hoặc cacbonat (tạo vòng 4 cạnh)

Vòng này không bền nên bị đứt ra và hidrazin chỉ liên kết với nguyên

tử N, còn liên kết của nhóm NH2 thứ hai được biểu thị dưới dạng tương tác với axit Ví dụ, phức chất [Pt(NH3)2(N2H4)2]Cl2 có khả năng kết hợp với hai phân tử HC1 nữa theo phương trình phản ứng:

Theo danh pháp IUPAC tên gọi chính thức các phức chất như sau:

- Đầu tiên gọi tên cation, sau đó đến tên anion

- Tên gọi của tất cả các phối tử là anion đều tận cùng bằng chữ “o” (cloro, bromo, sunfato, oxalato ), trừ phối tử là các gốc (metyl-, phenyl-, ) Tên gọi các phối tử trung hoà không có đuôi gì đặc trưng Phối tử amoniac

được gọi là ammin (hai chữ m, để phân biệt với amin hữu cơ chỉ viết một chữ m), phối tử nước được gọi là aquơ.

- Số các nhóm phối trí cùng loại được chỉ rõ bằng các tiếp đầu chữ

Hy Lạp: mono, đi, tri, tetra v.v Neu có các phân tử hũu cơ phức tạp phối

trĩ thì thêm các tiếp đầu bis, tris, tetrakis, để chỉ số lượng của chúng Chữ

mono thường được bỏ

- Đe gọi tên ion phức, đầu tiên gọi tên các phối tử là anion, sau đến các phối tử trung hoà, sau nữa là các phối tử cation, cuối cùng là tên gọi của ion trung tâm Công thức của ion phức được viết theo trình tự ngược lại Ion phức được đặt trong hai dấu móc vuông

- Hóa trị của ion trung tâm được ký hiệu bằng chữ số La Mã đế trong dấu ngoặc đơn sau tên ion trung tâm (nếu gọi tên cation phức hay phức chất

không điện ly) hoặc sau đuôi “at” (nếu hợp chất chứa anion phức) Neu nguyên tử trung tâm hoá trị không thì hóa trị được biểu thị bằng số 0.

- Neu một nhóm liên kết với hai nguyên tử kim loại (nhóm cầu), thì gọi tên nó sau tên tất cả các phối tử, trước tên gọi nó để chữ |i; nhóm cầu OH' được gọi là nhóm ol hoặc hiđroxo

- Các đồng phân hình học được ký hiệu bằng chữ đầu cis- hoặc trans-

Sau đây là tên gọi của một số phức chất:

[CoEn2Cl2]S0 4 đicloro-bis-(etilenđiamin) coban (III) sunfat

[Ag(NH3)2]Cl điammin bạc (I) clorua

K2[CuCl3] kali triclorocuprat (I)

[PtEn(NH3)2N0 2Cl]S0 4 cloronitrodiamminetilendiaminplatin (IV) sunfat [Co(NH3)6][Fe(CN)6] hexaammincoban (III) hexaxianoferrat (III)

[Cu(NH3)2]OH điammin đồng (I) hydroxit

O H v ^ 4 (c204)2c / \ r(C 20 4)2

1.2.6.1 Dựa vào loại hợp chất người ta phân biệt:

Axit phức: H2[SiF6], H[AuC14], H2[PtCl6]

Bazơ phức: [Ag(NH3)2]OH, [Co En3](OH)3

Các phức chất trung hoà không có cầu ngoại Phức tạp hơn là các trường hợp phức chất gồm cation phức và anion phức, ví dụ [Co(NH3)6][Fe(CN)6] Thuộc loại cation phức còn có các phức chất oni, trong đó đóng vai trò của chất tạo phức là các nguyên tử phân cực âm của các nguyên tố âm điện mạnh (N, o , F, Cl, ), còn các nguyên tử hiđro phân cực dương là các phối tử Ví dụ NH4+ (amoni), OH3+ (oxoni), FH2+ (floroni), C1H2+ (cloroni).

1.2.6.3 Dựa theo bản chất của phoi tử người ta phân biệt

- Phức chất aquơ, phối tủ’ là nước H20 : [Co(H20 )6]S04, [Cu(H20 )4](N0 3)2

- Phức chất amoniacat hay amminat, phối tử là NH3: [Ag(NH3)2]Cl, [Co(NH3)6]Cl3, [Cu(NH3)4]S 0 4

- Phức chất axit, phối tử là gốc của các axit khác nhau: K4[Fe(CN)6],

K2[HgI4], K2[PtCl6]

- Phức chất hiđroxo, phối tử là các nhóm OH" : K3[Al(OH)6]

- Phức chất hiđraa, phối tử là ion hiđrua: Li[AlH4]

- Phức chất cơ kim, phối tử là các gốc hũai cơ: Na[Zn(C2H5)3],

Li3[Zn(C6H5)3]

- Phức chất 71, phối tử là các phân tử chưa bão hoà như etilen, propilen, butilen, stiren, axetilen, allylamin, rượu allylic, xyclohexen, xyclopentadienyl, cacbon oxit, nitơ oxit Ví dụ K[PtCl3(C2H4)].H2 0 , [Fe(C5H5)2] (ferroxen), [Cr(C6H6)2], [Ni(CO)4], K2[Fe(CN)5NO], Trong các phức chất nêu trên các phối tử liên kết với nguyên tử kim loại nhờ các eletron n của các phân tử chưa bão hoà

Dựa vào cấu trúc vỏ electron, đôi khi người ta chia các phối tử ra làm hai loại như sau khi tham gia tạo phức với kim loại:

- Phối tử có một hoặc nhiều hơn cặp electron tự do Loại này lại được chia ra:

+ Phối tử không có obitan trống đế nhận các electron từ kim loại, ví

1.2.6.4 Dựa theo cấu trúc của cầu nội phức

- Theo số nhân tạo thành phức chất người ta phân biệt phức chất đơn

nhân và phức chất nhiều nhân Ví dụ phức chất hai nhân [(NH3)5Cr-OH- Cr(NH3)5]Cl5, trong đó hai ion crom (chất tạo phức) liên kết với nhau qua cầu nối OH Đóng vai trò nhóm cầu nối là những tiểu phân có cặp electron tự do: F

, cr, o 2, s 2~, S042', NH2’, NH2’ v v Phức chất nhiều nhân chứa nhóm cầu nối

OH được gọi là phức chất ol v ề mặt cấu trúc, nhóm cầu nối OH khác với

nhóm hiđroxyl trong phức chất một nhân, số phối trí của oxi trong cầu nối ol bằng ba, còn trong nhóm OH của phức chất một nhân bằng hai

- Dựa theo sự không có hay có các vòng trong thành phần của phức chất người ta phân biệt phức chất đơn giản (phối tử chiếm một chỗ phối trí)

và phức chất vòng (đã nói ở phần trên) Hợp chất nội phức là một dạng của

phức chất vòng, trong đó cùng một phối tử liên kết với chất tạo phức bằng

liên kết cặp electron và bằng liên kết cho - nhận, ví dụ natri trioxalatoferrat

(III), (etilenđiamin) đồng (II) đã nêu ở trên

- Hợp chất quá phức (siêu phức): trong các hợp chất này số các phối

tử vượt quá s.p.t của chất tạo phức Ví dụ hợp chất C uS 04.5H20 (I) Đối với Cu(II) s.p.t bằng 4 nên trong cầu nội chỉ có 4 phân tử nước được phối trí Phân tử nước thứ năm đóng vai trò cầu nối, kết hợp với phức chất nhờ liên kết hiđro (liên kết ở cầu ngoại phức): [Cu(H2 0 )4]S0 4 H2 0 Đóng vai trò các phối tử dư không chỉ có các phân tử nước, mà còn có các phân tử

amoniac, amin, axit, muối,

V í dụ: các phức chất [SnPy2I4].3Py; [CrPy3Cl3].2C2H5CN;trans-[СоЕп2С12]С1.НС1.2Н20 ; [Pt(NH3)2(C6H5NH2)2]S04.C6H5NH2;

- Poỉiaxit đồng thể và dị thể: Poliaxit là những phức chất 0 X 0 nhiều nhân chứa cầu nối oxi Neu axit chứa nhân của cùng một nguyên tố thì đó là poliaxit đồng thế, ví dụ: H2[-0 -Si0 2 S i0 2-0 -]H2 (axit polimetasilixic)

- Trong poliaxit dị thể nguyên tử oxi cầu nối kết họp các nguyên tử của các nguyên tố khác nhau, ví dụ: Нз[0зР-0-МсЮз]: axit photphomolipđic Trong poliaxit dị thể có sự kết hợp các gốc axit của các nguyên tố kim loại

và phi kim

- v ề hình thức, có thể coi các poliaxit đồng thể và dị thể là sản phẩm kết

hợp các phân tử axit với anhiđrit của nó hoặc với anhiđrit của một axit khác Hai ví dụ nêu trên được coi là H4SÌO4.S1O2 và H3PO4.M0O3 Các axit đicromic Н2СЮ4.СЮ3 (H2Cr207) và axit tricromic Н2СЮ4.СГ2О3 (H2C13O7) thuộc loại các poliaxit đồng thể Các poliaxit đồng và dị thể và các muối của chúng được sử dụng nhiều trong hóa học phân tích

Chương 2 XÂY DựNG HỆ THỐNG BÀI TẬP ĐỊNH TÍNH PHỨC CHẤT

2.1 Xây dựng bài tập về cấu tạo của phức chất

Câu 1: Viết công thức của các phức chất sau:

1 Điammin tricloro hidroxo platin

2 Điammin tricloro hidroxo platin(IV)

3 Điaquơ tetraammin Coban(III) Clorua

4 HexaaquơCrom(III) Bromua

5 Hexaaquơsắt(II) Clorua

6 Hexaaquơ sắt(III) Clorua

7 Điclorocuprat (I) ion

8 Kali hexaxianoCuprat(II)

9 Kali đixiano bạc(I)

10 Đicloro-fr/s-(etylendiamin) coban (II) monohydrat

Hướng dẫn

1 Kali hexaxianocuprat (II)

2 Kali hexaxianomolidat (II)

3 Kali hexaxianoFerat(II)

4 z?/s-etilenđiamin crom (III) perchlorat

5 Kali hexaxiano Ferat(III)

6 Tetracacbonoxit Niken

7 Điclorotetraaquơ Coban

8 Kali dicyano argentat(I)

9 Natri tetrachloro cadmat(II)

10 Natri hexaíluoro aluminat

2 Viết cấu trúc lập thể và cho biết các dạng đồng phân có thể có của

ion phức [Co(NH3)2(En)Cl2]+:

Hướng dẫn

1 Chỉ có phức (c) có đồng phân cỉs - trans

2 Có 3 đồng phân hình học, trong đó đồng phân (III) có đồng phân quang học:

2 Phức [Pt(NH3)2(N0 2)2Cl2] có bao nhiêu đồng phân? Hãy gọi tên và viết các đồng phân hình học của phức bát diện.

1 Paladi (giống như nguyên tố lân cận nó là Pt) tạo thành phức có số phối trí

4 hoặc 6 Hãy viết công thức của các phức có thành phần như sau:

Họp chất [Pt(NH3)2(SCN)2] có 2 loại đồng phân, đó là 2 loại đồng phân

gì ? Hãy gọi tên và viết cấu trúc của 6 đồng phân có thể có của 2 loại đồng

phân trên

2.2 Xây dựng bài tập về liên kết trong phức chất

Câu 12

Áp dụng thuyết Verner về phức phối trí để giải thích:

- Số ion tạo thành khi hoà tan trong nước

- Số ion clorua kết tủa khi có Ag+ trong dung dịch đối với các hợp chất sau:(a) [Co(NH3)6]Cl3 (c) [Co(NH3)5C1]C12

Hướng dẫn

Giải thích: lon Coban được phối trí với sáu phối tử trong mỗi phức do

đó hoá trị phụ là sáu Mỗi phức cũng có tổng cộng ba ion cloma nên có hoá trị chính là 3 Các ion СГ tự do bị phân ly khi phức hòa tan trong nước Các ion

СГ khác liên kết với ion Co3+ nên không bị phân ly do đó không phản ứng với Ag+

(a) Ba ion СГ tự do trong [Co(NH3)6]Cl3 sẽ phân ly khi phức này hoà tan trong nước Vì thế khi phức này hòa tan trong nước sẽ cho tổng cộng 4 ion

và 3 ion СГ sẽ phản ứng với ion Ag+:

[Co(NH3)6]Cl3(r) — [Co(NH3)6]3 3+(aq) + 3Cl(aq)

(b) Tương tự: 3 ion СГ tự do sẽ kết tủa với Ag+:

[Co(NH3)5(H20)]C l3(r) - [Co(NH3)5(H20 )]3 3+(aq) + 3Cl(aq)

(c) Tương tự: 2 ion c r tự do sẽ kết tủa với Ag+:

[Co(NH3)5Cl]Cl2(r) — Co(NH3)5Cl22+(aq) + 2Cl (aq)

(d) Tương tự: 1 ion c r tự do sẽ kết tủa với Ag+:

[Co(NH3)4Cl2]Cl(r) Co(NH3)4Cl2+(aq) + c r(aq )

Câu 13

1 Etylenđiamin phản ứng với K3[Cr(NCS)6] tạo thành 2 họp chất Họp chat I

có màu đỏ và họp chat II có màu màu da cam Mỗi hợp chất có công thức thực nghiệm là Cr(en)2(NCS) 3 và khi thêm muối tan của Fe(III) vào thì dung dịch sẽ có màu đỏ đậm Hợp chat I có đồng phân quang học, nhưng họp chất

II thì không Hãy đề nghị cấu trúc cho 2 hợp chất đó và giải thích

2 Giải thích tại sao cấu trúc tứ diện của phức Co(II) bền hơn của Ni(II)?

Hướng dẫn

SCN

I: rÃv-[Cr(en)2(NCS)2]SCN II: n tuÌS-[Cr(en)2(Nc s )2]SCN

1 Giải thích: Có màu đỏ xuất hiện khi thêm ion Fe(III) chứng tỏ rằng ít nhất 1 ion thioxianat không tạo liên kết với ion trung tâm Cr(III) có số phối trí điển hình là 6 Do đó mỗi ion phức phải liên kết với 2 phân tử en và 2 ion thioxianat Hai họp chất này là đồng phân hình học của nhau Hợp chat I là

đồng phân cis Nó không có mặt phang đối xứng do đó có đồng phân quang

học Họp chat II có mặt phang đối xúng nên không có đồng phân quang học

2 So với Co2+ thì Ni2+ có hon 1 electron ở mức mất ổn định t2a Ngoài ra ở phức của Ni2+ có sự biến dạng theo hiệu ứng Jan - Teller và làm giảm độ bền của phức tứ diện của Ni2+

Tại sao khi cho NH3 tác dụng với dung dịch K2[PtCl4] và khi cho HC1

tác dụng với dung dịch [Pt(NH3)4]Cl2 tạo thành các kết tủa có thành phần

giống nhau song có màu khác nhau Còn khi cho các dung dịch này tác dụng với KI thì thu được các chất có thành phần khác nhau

Câu 16

1 Cho hợp chất [Co(en)2Cl2]Cl Hãy cho biết:

a Số phối trí của ion kim loại trung tâm

b Bậc oxy hoá của ion kim loại trung tâm

c Số ion tạo thành khi hoà tan hợp chất này vào nước

d Số mol của AgCl kết tủa đối với mỗi mol của hợp chất hoà tan trong

nước khi thêm AgNƠ3 vào

2 Trước đây người ta hay viết công thức của đồng (I) clorua là Cu2Cl2 thay vì

CuCl hoặc viết Hg2Cl2 đối với Hg (I) clorua Dùng cấu hình electron hãy giải thích tại sao Hg2Cl2 có thể xảy ra nhung phải viết CuCl mới là đúng

Câu 17

1 Giải thích tại sao các (ion) phức Mn(H20 ) 62+ và FeF63' hầu như không có

màu? Cho biết nước và F là hai phối tử trường yếu

2 Dùng cấu trúc Lewis để giải thích tại sao S O 3 2 là phối tử có thể tạo phối trí

ở s hoặc o , nhưng N O 3 ' là phối tử chỉ tạo phối trí thông qua o

1 Hãy cho biết cấu tạo hình học của N 0 2’ và viết trạng thái lai hoá đối với nguyên tử nitơ.

2 Hãy cho biết 4 cách khác nhau mà ion N 0 2’ liên kết với ion trungtâm

3 Hãy xác định phối tử A

4 Chỉ ra cấu trúc của phức chất

Chương 3 XÂY DỤNG HỆ THỐNG BÀI TẬP ĐỊNH LƯỢNG PHỨC CHÁT

(3) có thể dự đoán độ dài liên kết kim loại-phối tử

(4) có thế giải thích dãy phổ hoá học