Tài liệu Xây dựng hệ thống bài tập phức chất C

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA HÓA HỌC ====== TRẦN THỊ THU HẰNG XÂY DỰNG HỆ THỐNG BÀI TẬP PHỨC CHẤT KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chuyên ngành: Hóa học Vô cơ Ngƣời hƣớng dẫn khoa học ThS. HOÀNG QUANG 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 Ho ̣c đã truyề n đa ̣t cho em r ất nhiề u kiế n thức quý báu trong suố t thời gian ho ̣c tâ ̣p ta ̣i đây. Do điề u kiê ̣n thời gian và triǹ h đô ̣ còn ha ̣n chế , nên khóa luâ ̣n này không tránh khỏi những thiế u sót. Em rấ t mong nhâ ̣n đươ ̣c sự góp ý của thầ y, cô giáo để khóa luâ ̣n của em đươ ̣c hoàn thiê ̣n hơn. Hà Nội, tháng 5 năm 2015 Ngƣời thực hiện Trần Thị Thu Hằng MỤC LỤC MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1 Chương 1: TỔNG 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 chất ................................................ 7 1.2. Tổng quan về phức chất ............................................................................. 9 1.2.1. Những khái niệm cơ bản của hóa học phức chất ............................ 9 1.2.2. Ion trung tâm và phối tử ............................................................... 11 1.2.3. Số phối trí ...................................................................................... 12 1.2.4. Dung lượng phối trí của phối tử ................................................... 14 1.2.5. Cách gọi tên phức chất.................................................................. 16 1.2.6. Phân loại phức chất ...................................................................... 17 Chương 2. XÂY DỰNG HỆ THỐNG BÀI TẬP ĐỊNH TÍNH PHỨC CHẤT .............................................................................................................. 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 chất .......................................... 27 Chương 3. XÂY DỰNG HỆ THỐNG BÀI TẬP ĐỊNH LƯỢNG PHỨC CHẤT .............................................................................................................. 31 KẾT LUẬN ..................................................................................................... 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 59 PHỤ LỤC ........................................................................................................ 60 MỞ ĐẦU 1. Lí do chọn đề tài Hiện nay việc phát triển 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 tổng hợp 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 tế, đó là: - Tổng hợp và nghiên cứu cấu tạo của các phức chất kim loại chuyển tiếp bằng các phương pháp vật lí và hoá lí. - Nghiên cứu cơ chế của các phản ứng của các phức chất. - Nghiên cứu các quá trình xúc tác phức - xúc tác đồng thể. - Tổng hợp trên khuôn. - Tổng hợp và nghiên cứu các cacboxylat kim loại và nghiên cứu sử dụng chúng trong viếc chế tạo vật liệu mới. Bên cạnh đó, nền công nghiệp hoá chất của nước ta đang ngày một phát triển, cần phải có một lực lượng, đội ngũ cán bộ giỏi trong các lĩnh vực của công nghệ hoá học. Để làm được điều đó, trong quá trình đào tạo sinh viên phải gắn những bài tập được vận dụng trên cơ sở lý thuyết hoá học tiếp cận với những quy trình sản xuất trong thực tế. Đối với nội dung về phức chất của 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. 1 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 hợp 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 những lý do trên đã thôi thúc tôi lựa chọn đề tài: “XÂY DỰNG HỆ THỐNG BÀI TẬP PHỨC CHẤT” 2 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 cứu nội dung và phân loại kiến thức về hóa học vô cơ bậc đại học. - Đề 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. Phƣơng 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 thực nghiệm. + Tìm hiểu các quy trình công nghệ sản xuất trong hoá học và những vấn đề có tính ứng dụng hóa học trong thực tiễn. + Tìm hiểu thực tiễn giảng dạy của giảng viên và học tập của sinh viên nhằm phát hiện vấn đề khó thuộc môn Hóa học phức chất. 3 - 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 vực nghiên cứu đề tài và có kinh nghiệm giảng dạy. 5. Những đóng góp mới của đề tài - Về lí luận + Bước đầu đề tài góp phần xây dựng được một hệ thống bài tập phức chất bậc đại học. + Nghiên cứu và đề xuất những bài toán mới trong bài tập hóa phức chất. - Về mặt thực tiễn Nội dung của luận văn giúp sinh viên có thêm nhiều tư liệu hữu ích trong quá trình học tập, nghiên cứu. 4 Chƣơng 1: TỔNG 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 những 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 nhưng 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 hợp yêu cầu sinh viên phải vận dụng những 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 những 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 hiểu sâu và khắc sâu kiến thức đã học Bài tập hoá học giúp cho sinh viên nhớ lại tính chất của các chất, phương trình phản ứng; hiểu sâu hơn về các nguyên lý và định luật hoá học. 5 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 … 1.1.2.2. Cung cấp thêm những kiến thức mới và mở rộng sự hiểu 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. Thường 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 . 1.1.2.5. Phát triển kỹ năng: (so sánh, quy nạp, diễn dịch, phân tích, tổng hợp, loại suy, khái quát hoá …) Mọi bài tập hoá học giảng viên ra cho sinh viên đều có những điểm nút, để mở những điểm đó sinh viên bắt buộc phải tư duy để sử dụng hoặc phương pháp quy nạp, diễn dịch, hoặc phương pháp loại suy… Nhờ vậy tư duy sinh viên được phát triển và năng lực làm việc độc lập của sinh viên được nâng cao. 6 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… để tìm ra lời giải. Theo kinh nghiệm cho thấy sinh viên tự mình tìm hiểu 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. 1.1.2.7. Giáo dục kỹ năng tổng 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 triển khoa học kỹ thuật của thời đại mình đang sống. 1.1.3. Các loại bài tập hóa học phức chất 1.1.3.1. 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 7 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. + Số phối tử: Để chỉ số lượng phối tử một càng người ta dùng những tiếp đầu đi, tri, tetra, penta, hexa…. có nghĩa là 2, 3, 4, 5, 6… Để chỉ số lượng phối tử nhiều càng người ta dùng những tiếp đầu bis, tris, tetrakis, pentakis, hexakis có nghĩa là 2, 3, 4, 5, 6... + Tên phối tử: Nếu phối tử là anion: anion + đuôi “o”. Ví dụ: F- floro; Cl- cloro;… Nếu phối tử là phân tử trung hòa: Ví dụ: C2H4 etylen; C5H5N pyridin… H2O aquơ; NH3 ammin; CO cacboxyl; NO nitrozyl… + Nguyên tử trung tâm và số oxi hóa: Nếu 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. Nếu 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 phức chất. 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 cis – 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. 8 + Đồng phân cis – 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 tử không có mặt phẳng đối xứng. + 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 ∆, số 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. Những 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, hợp chất đơn giản hay các hợp chất bậc nhất được tạo thành từ các ion, nguyên tử hoặc các gốc kết hợp với nhau, ví dụ các oxit (Na2O, CuO,...), các halogenua (NaCl, CuCl2,...). Hai là, hợp chất phức tạp hay các hợp chất bậc 9 cao (hợp chất phân tử), chúng được tạo thành từ những hợp chất đơn giản, ví dụ: K2HgI4(HgI2.2KI); Ag(NH3)2Cl(AgCl.2NH3); 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 hợp chất phân tử (bậc cao), bền trong dung dịch nước, không phân hủy hoặc phân hủy rất ít tạo ra các hợp phần tạo thành chúng. Ví dụ: CoCl3.6NH3 = Co(NH3)63+ + 3 Cl-, 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 (NaCl)n, trong đó mỗi ion Na+ được phối trí một cách đối xứng kiểu bát diện bởi 6 ion Cl-, và mỗi ion Cl- 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 hợp 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 10 không. Ví dụ: Cu(NO3)2.4Py. Định nghĩa này tất nhiên cũng chưa thật hoàn hảo vì bao gồm cả các oxi axit kiểu 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. Iaximirxki cho rằng: Phức chất là những hợp 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 tử 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 hơn khái niệm “hợp chất phối trí”. Phức chất còn bao gồm cả những hợp chất phân tử trong đó không thể 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 cứu 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 UO22+, TiO2+ 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 11 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 ϭ, π, δ và bằng các liên kết nhiều tâm. Các liên kết hai tâm ion trung tâm - phối tử được thực hiện qua các nguyên tử cho của phối tử; liên kết ϭ 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. Về 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  , phối tử có thể đồng thời đóng vai trò chất cho hoặc chất nhận các electron π. Điều này xảy ra với những phối tử mà phân tử của chúng là chưa bão hoà, ví dụ CO, NO, CN- ... Có nhiều phức chất ion trung tâm là phi kim, ví dụ trong ion amoni NH4+, oxoni H3O+,... 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) 12 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) ... Nếu liên kết ion trung tâm - phối tử 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 [Al(H2O)6]Cl3 có s.p.t. = 6, ion La3+ trong [La(H2O)9](NO3)3 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 trưng 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]SO4; [CuEn3][PtCl4]; [CuEn3](NO3)2.2H2O; [CuPy6 ](NO3)2; (NH3)4](SCN)2; [Cu(NH3)4]SO4.H2O; [CuPy4](NO3)2;[Cu(H2O)4]SO4.H2O. 13 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 1500C thì tạo thành điamin, đồng thời s.p.t. của Co (II) từ 6 chuyển sang 4. 150 C [Co(NH3)6]Cl2    [Co(NH3)2]Cl2 + 4 NH3 0 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 hợp 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(NO2)2]Cl; của Ir(III), Ir(IV) (K3[IrCl6], K2[IrCl6]) s.p.t. của ion trung tâm bằng 6. Nếu 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 SO42- 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 lượng 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 trực 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, H2O, C2H5OH..., các ion đa hóa trị như O2-, 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 14 càng). Các gốc axit SO42-, C2O42-..., 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: Mỗi phân tử glyxin sử dụng hai nhóm chức: nó kết hợp với ion trung tâm qua nguyên tử nitơ của nhóm amino theo cơ chế cho-nhận, và qua nguyên tử oxi của nhóm cacboxyl bằng liên kết cộng hóa trị thông thường. Sau đây là một số ví dụ khác: Bis-(etilenđiamin) đồng (II) clorua Natri trioxalatoferrat (III) Ở hoá học hữu 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. Ở đây ion oxalat tạo vòng 5 cạnh nên có xu hướng tạo phức mạnh hơn so với ion sunfat hoặc cacbonat (tạo vòng 4 cạnh). 15 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 HCl nữa theo phương trình phản ứng: 1.2.5. Cách gọi tên phức chất 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... Nếu có các phân tử hữu cơ phức tạp phối trí thì thêm các tiếp đầu bis, tris, tetrakis,..để chỉ số lượng của chúng. Chữ mono thường được bỏ. - Để 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 để trong dấu ngoặc đơn sau tên ion trung tâm (nếu gọi tên cation phức hay phức chất 16 không điện ly) hoặc sau đuôi “at” (nếu hợp chất chứa anion phức). Nếu nguyên tử trung tâm hoá trị không thì hóa trị được biểu thị bằng số 0. - Nếu 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 µ; 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]SO4 đicloro-bis-(etilenđiamin) coban (III) sunfat [Ag(NH3)2]Cl điammin bạc (I) clorua K2[CuCl3] kali triclorocuprat (I) [PtEn(NH3)2NO2Cl]SO4 cloronitrodiamminetilendiaminplatin (IV) sunfat [Co(NH3)6][Fe(CN)6] hexaammincoban (III) hexaxianoferrat (III) [Cu(NH3)2]OH điammin đồng (I) hydroxit ion tetraoxalato-đi-µ-ol-đicromat (III) ion octaammin-µ-amiđo-ol-đicoban (III) 1.2.6. Phân loại phức chất 1.2.6.1. Dựa vào loại hợp chất người ta phân biệt: Axit phức: H2[SiF6], H[AuCl4], H2[PtCl6]. Bazơ phức: [Ag(NH3)2]OH, [Co En3](OH)3. Muối phức: K2[HgI4], [Cr(H2O)6]Cl3. 1.2.6.2. Dựa vào dấu điện tích của ion phức: Phức chất cation: [Co(NH3)6]Cl3, [Zn(NH3)4]Cl2 Phức chất anion: Li[AlH4] Phức chất trung hoà: [Pt(NH3)2Cl2], [Co(NH3)3Cl3], [Fe(CO)5 ] 17