Chọn đến phần học sinh cần nhanh chóng thông qua mục lục bằng cách click đến phần đó
- Lý thuyết trọng tâm
- 1. Một số khái niệm cơ bản về phức chất
- 2. Một số dạng hình học của phức chất
- 3. Liên kết trong phức chất
- 4. Sự hình thành phức chất aqua của ion kim loại chuyển tiếp
- 5. Ứng dụng của phức chất trong thực tiễn
- Phương pháp giải các dạng bài tập
- Dạng 1: Xác định nguyên tử trung tâm, phối tử, điện tích phức chất
- Dạng 2: Xác định dạng hình học của phức chất
- Dạng 3: Giải thích sự hình thành liên kết cho-nhận trong phức chất
- Dạng 4: Viết công thức và mô tả phức chất aqua
Lý thuyết trọng tâm
1. Một số khái niệm cơ bản về phức chất
1.1. Phức chất là gì?
Phức chất là hợp chất có chứa nguyên tử trung tâm (thường được kí hiệu là M) và các phối tử (thường được kí hiệu là L). Trong đó:
- Nguyên tử trung tâm là cation kim loại hoặc nguyên tử kim loại liên kết với các phối tử
- Phối tử là anion hoặc phân tử trung hòa
Đặc điểm quan trọng: Phức chất có thể mang điện tích (gọi là ion phức) hoặc không mang điện tích.
1.2. Cách viết công thức phức chất
Trong công thức phức chất, nguyên tử trung tâm M và các phối tử L thường được đặt trong móc vuông [ ].
Ví dụ:
| Phức chất | Nguyên tử trung tâm | Phối tử | Điện tích |
|---|---|---|---|
| $[Co(NH_3)_6]^{3+}$ | $Co^{3+}$ | $NH_3$ | +3 |
| $[Zn(OH)_4]^{2-}$ | $Zn^{2+}$ | $OH^-$ | -2 |
| $[Fe(CO)_5]$ | $Fe$ | $CO$ | 0 |
| $[Ag(NH_3)_2]^+$ | $Ag^+$ | $NH_3$ | +1 |
| $[PtCl_4]^{2-}$ | $Pt^{2+}$ | $Cl^-$ | -2 |
1.3. Nguyên tử trung tâm (M)
Định nghĩa: Nguyên tử trung tâm là cation kim loại hoặc nguyên tử kim loại nằm ở vị trí trung tâm của phức chất.
Đặc điểm:
- Thường là các kim loại chuyển tiếp: Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Pt, Ag…
- Có các orbital trống (AO trống) để nhận cặp electron từ phối tử
- Quyết định tính chất hóa học của phức chất
Cách xác định: Nguyên tử trung tâm là nguyên tử/ion được viết đầu tiên trong móc vuông.
1.4. Phối tử (L)
Định nghĩa: Phối tử là anion hoặc phân tử trung hòa có cặp electron chưa liên kết (cặp electron tự do) có thể cho nguyên tử trung tâm.
Các phối tử phổ biến:
| Phối tử | Công thức | Loại | Số cặp e tự do có thể cho |
|---|---|---|---|
| Ammonia | $NH_3$ | Phân tử | 1 |
| Nước | $H_2O$ | Phân tử | 2 |
| Carbon monoxide | $CO$ | Phân tử | 1 |
| Ion hydroxide | $OH^-$ | Anion | 3 |
| Ion chloride | $Cl^-$ | Anion | 4 |
| Ion fluoride | $F^-$ | Anion | 4 |
| Ion cyanide | $CN^-$ | Anion | 1 |
1.5. Điện tích của phức chất
Công thức tính điện tích phức chất:
$$\boxed{\text{Điện tích phức chất} = \text{Điện tích nguyên tử trung tâm} + \sum(\text{Điện tích các phối tử})}$$
Ví dụ minh họa:
| Phức chất | Tính điện tích |
|---|---|
| $[Co(NH_3)_6]^{3+}$ | $(+3) + 6 \times 0 = +3$ |
| $[Zn(OH)_4]^{2-}$ | $(+2) + 4 \times (-1) = -2$ |
| $[Fe(CO)_5]$ | $0 + 5 \times 0 = 0$ |
| $[PtCl_4]^{2-}$ | $(+2) + 4 \times (-1) = -2$ |
1.6. Cầu nội và cầu ngoại
Trong công thức của phức chất:
- Cầu nội được đặt trong móc vuông, gồm nguyên tử trung tâm M và các phối tử L
- Cầu ngoại nằm ngoài móc vuông
Khi cầu nội mang điện tích, phức chất thường chứa ion cầu ngoại để trung hòa điện tích với ion cầu nội.
Ví dụ: Thuốc thử Tollens: $[Ag(NH_3)_2]OH$
$$[Ag(NH_3)_2]OH \longrightarrow [Ag(NH_3)_2]^+ + OH^-$$
- Cầu nội: $[Ag(NH_3)_2]^+$ (quyết định tính chất của thuốc thử Tollens)
- Cầu ngoại: $OH^-$
Lưu ý: Trong nhiều trường hợp, người ta chỉ quan tâm đến cầu nội do nó quyết định tính chất của phức chất.
2. Một số dạng hình học của phức chất
Trong phức chất $[ML_n]$ (điện tích đã được lược bỏ), các phối tử L sắp xếp xung quanh nguyên tử trung tâm M tạo ra các dạng hình học khác nhau, phổ biến là: tứ diện, vuông phẳng và bát diện.
2.1. Dạng tứ diện (Tetrahedral)
Đặc điểm:
- Số phối tử: 4
- Hình dạng tương tự phân tử $CH_4$ (methane)
- Góc liên kết: khoảng 109,5°
- Nguyên tử trung tâm ở tâm tứ diện, 4 phối tử ở 4 đỉnh
Ví dụ: $[Zn(NH_3)_4]^{2+}$, $[Ni(CO)_4]$, $[CoCl_4]^{2-}$
Hình minh họa:
2.2. Dạng vuông phẳng (Square planar)
Đặc điểm:
- Số phối tử: 4
- Tất cả các nguyên tử nằm trên cùng một mặt phẳng
- Góc liên kết: 90°
- Nguyên tử trung tâm ở tâm hình vuông, 4 phối tử ở 4 đỉnh
Ví dụ: $[PtCl_4]^{2-}$, $[Pt(NH_3)_2Cl_2]$ (cisplatin – thuốc trị ung thư), $[Ni(CN)_4]^{2-}$
Hình minh họa:
2.3. Dạng bát diện (Octahedral)
Đặc điểm:
- Số phối tử: 6
- Hình dạng tương tự phân tử $SF_6$ (sulfur hexafluoride)
- Góc liên kết: 90°
- Nguyên tử trung tâm ở tâm bát diện, 6 phối tử ở 6 đỉnh
Ví dụ: $[CoF_6]^{3-}$, $[Cu(H_2O)_6]^{2+}$, $[Fe(H_2O)_6]^{2+}$, $[Co(NH_3)_6]^{3+}$
Hình minh họa:
Bảng tổng hợp các dạng hình học
| Dạng hình học | Số phối tử | Góc liên kết | Phân tử tương tự | Ví dụ phức chất |
|---|---|---|---|---|
| Tứ diện | 4 | 109,5° | $CH_4$ | $[Zn(NH_3)_4]^{2+}$, $[Ni(CO)_4]$ |
| Vuông phẳng | 4 | 90° | – | $[PtCl_4]^{2-}$, $[Pt(NH_3)_2Cl_2]$ |
| Bát diện | 6 | 90° | $SF_6$ | $[CoF_6]^{3-}$, $[Cu(H_2O)_6]^{2+}$ |
Lưu ý quan trọng: Cùng có 4 phối tử nhưng phức chất có thể có dạng tứ diện HOẶC vuông phẳng tùy thuộc vào bản chất của nguyên tử trung tâm và phối tử.
3. Liên kết trong phức chất
3.1. Liên kết cho-nhận (Liên kết phối trí)
Bản chất: Liên kết hóa học giữa nguyên tử trung tâm M và phối tử L trong phức chất là liên kết cho-nhận (còn gọi là liên kết phối trí).
Cơ chế hình thành:
$$\boxed{\text{Phối tử (L)} \xrightarrow{\text{cho cặp e}} \text{Orbital trống của M}}$$
- Phối tử đóng vai trò cho cặp electron chưa liên kết
- Nguyên tử trung tâm đóng vai trò nhận cặp electron vào orbital trống
Điều kiện hình thành liên kết cho-nhận:
| Thành phần | Điều kiện |
|---|---|
| Nguyên tử trung tâm (M) | Có orbital trống (AO trống) có năng lượng thấp |
| Phối tử (L) | Có cặp electron chưa liên kết (cặp e tự do) |
3.2. Ví dụ minh họa sự hình thành liên kết
Ví dụ 1: Phức chất $[Zn(NH_3)_4]^{2+}$
Bước 1: Xác định cấu hình electron của $Zn^{2+}$
$$Zn^{2+}: [Ar]3d^{10}$$
Bước 2: Xác định các AO trống của $Zn^{2+}$
- Phân lớp 3d đã đầy (10 electron)
- Các AO trống có năng lượng thấp nhất: 4s và 4p (4 orbital trống)
Bước 3: Xác định cặp e tự do của phối tử $NH_3$
Công thức Lewis của $NH_3$: Nguyên tử N có 1 cặp electron chưa liên kết
Bước 4: Hình thành liên kết
4 phân tử $NH_3$ cho 4 cặp electron vào 4 AO trống (4s, 4p) của $Zn^{2+}$ → tạo 4 liên kết cho-nhận → phức chất $[Zn(NH_3)_4]^{2+}$ có dạng tứ diện
Ví dụ 2: Phức chất $[CoF_6]^{3-}$
Bước 1: Xác định cấu hình electron của $Co^{3+}$
$$Co^{3+}: [Ar]3d^6$$
Bước 2: Xác định các AO trống của $Co^{3+}$
- Các AO trống có năng lượng thấp nhất: 4s, 4p, 4d (6 orbital trống phù hợp)
Bước 3: Xác định cặp e tự do của phối tử $F^-$
Ion $F^-$ có cấu hình: $1s^2 2s^2 2p^6$ → có 4 cặp electron chưa liên kết
Bước 4: Hình thành liên kết
6 ion $F^-$ cho 6 cặp electron vào 6 AO trống của $Co^{3+}$ → tạo 6 liên kết cho-nhận → phức chất $[CoF_6]^{3-}$ có dạng bát diện
4. Sự hình thành phức chất aqua của ion kim loại chuyển tiếp
4.1. Phức chất aqua là gì?
Định nghĩa: Phức chất aqua là phức chất trong đó phối tử là phân tử nước ($H_2O$).
Công thức chung: $[M(H_2O)_n]^{m+}$
Trong đó:
- M là ion kim loại chuyển tiếp
- n thường bằng 6 (dạng bát diện)
- m+ là điện tích của ion kim loại
4.2. Cơ chế hình thành
Trong dung dịch nước, các ion kim loại chuyển tiếp $M^{n+}$ thường nhận cặp electron chưa liên kết của $H_2O$ để tạo thành liên kết cộng hóa trị kiểu cho-nhận, hình thành phức chất aqua.
Đặc điểm của phân tử $H_2O$:
- Nguyên tử O có 2 cặp electron chưa liên kết
- Đóng vai trò là phối tử cho cặp electron
4.3. Ví dụ điển hình: $CuSO_4$ trong nước
Hiện tượng quan sát:
- $CuSO_4$ khan: màu trắng
- $CuSO_4$ tan trong nước: dung dịch màu xanh
Giải thích:
Khi $CuSO_4$ tan trong nước, ion $Cu^{2+}$ tạo phức chất aqua với 6 phân tử nước:
$$Cu^{2+} + 6H_2O \longrightarrow [Cu(H_2O)_6]^{2+}$$
Phức chất $[Cu(H_2O)_6]^{2+}$ có màu xanh đặc trưng và dạng hình học bát diện.
4.4. Các phức chất aqua phổ biến
| Ion kim loại | Phức chất aqua | Dạng hình học | Màu sắc |
|---|---|---|---|
| $Cu^{2+}$ | $[Cu(H_2O)_6]^{2+}$ | Bát diện | Xanh |
| $Fe^{2+}$ | $[Fe(H_2O)_6]^{2+}$ | Bát diện | Xanh lục nhạt |
| $Fe^{3+}$ | $[Fe(H_2O)_6]^{3+}$ | Bát diện | Vàng nâu |
| $Co^{2+}$ | $[Co(H_2O)_6]^{2+}$ | Bát diện | Hồng |
| $Co^{3+}$ | $[Co(H_2O)_6]^{3+}$ | Bát diện | Xanh |
| $Ni^{2+}$ | $[Ni(H_2O)_6]^{2+}$ | Bát diện | Xanh lục |
| $Zn^{2+}$ | $[Zn(H_2O)_6]^{2+}$ | Bát diện | Không màu |
| $Al^{3+}$ | $[Al(H_2O)_6]^{3+}$ | Bát diện | Không màu |
Nhận xét: Hầu hết các phức chất aqua đều có dạng hình học bát diện với 6 phối tử nước.
5. Ứng dụng của phức chất trong thực tiễn
5.1. Trong y học
a) Cisplatin – Thuốc điều trị ung thư
Công thức: $[Pt(NH_3)_2Cl_2]$ (cis-diamminedichloroplatinum)
- Dạng hình học: vuông phẳng
- Nguyên tử trung tâm: $Pt^{2+}$
- Phối tử: 2 $NH_3$ và 2 $Cl^-$
- Hoạt tính: kháng tế bào ung thư cao
b) Liệu pháp giải độc kim loại nặng bằng EDTA
EDTA (Ethylenediaminetetraacetic acid) là phối tử đa răng có thể tạo phức bền với các ion kim loại nặng ($Pb^{2+}$, $Hg^{2+}$, $Cd^{2+}$…), giúp đào thải chúng ra khỏi cơ thể.
5.2. Trong sinh học
a) Hemoglobin (Huyết sắc tố)
- Chứa phức chất Fe-porphyrin (nhân heme)
- Nguyên tử trung tâm: $Fe^{2+}$
- Chức năng: vận chuyển $O_2$ trong máu
b) Chlorophyll (Diệp lục)
- Chứa phức chất Mg-porphyrin
- Nguyên tử trung tâm: $Mg^{2+}$
- Chức năng: hấp thụ ánh sáng cho quá trình quang hợp
c) Vitamin B₁₂ (Cobalamin)
- Chứa phức chất với nguyên tử trung tâm là $Co$
- Chức năng: cần thiết cho sự tạo máu và hoạt động thần kinh
5.3. Trong hóa học phân tích
a) Thuốc thử Tollens
Công thức: $[Ag(NH_3)_2]OH$
Ứng dụng: Nhận biết aldehyde (phản ứng tráng bạc)
$$RCHO + 2[Ag(NH_3)_2]^+ + 2OH^- \longrightarrow RCOO^- + 2Ag\downarrow + 4NH_3 + H_2O$$
b) Nước Schweizer
Công thức: [Cu(NH3)4](OH)2
Ứng dụng: Hòa tan cellulose trong công nghiệp sản xuất tơ nhân tạo
Phương pháp giải các dạng bài tập
Dạng 1: Xác định nguyên tử trung tâm, phối tử, điện tích phức chất
Phương pháp giải:
Bước 1: Xác định nguyên tử trung tâm – là nguyên tử/ion kim loại được viết đầu tiên trong móc vuông
Bước 2: Xác định phối tử – là các phân tử hoặc ion liên kết với nguyên tử trung tâm
Bước 3: Tính điện tích phức chất theo công thức:
$$\text{Điện tích phức chất} = \text{Điện tích M} + \sum(\text{Điện tích L})$$
Ví dụ mẫu:
Bài tập: Cho các phức chất sau: $[Cu(H_2O)_6]^{2+}$, $[CoF_6]^{3-}$, $[Ni(CO)_4]$, $[PtCl_2(NH_3)_2]$
a) Chỉ ra phối tử và nguyên tử trung tâm trong mỗi phức chất b) Cho biết số lượng phối tử trong mỗi phức chất c) Cho biết điện tích của mỗi phức chất
Lời giải:
| Phức chất | Nguyên tử trung tâm | Phối tử | Số phối tử | Điện tích |
|---|---|---|---|---|
| $[Cu(H_2O)_6]^{2+}$ | $Cu^{2+}$ | $H_2O$ | 6 | +2 |
| $[CoF_6]^{3-}$ | $Co^{3+}$ | $F^-$ | 6 | $+3 + 6(-1) = -3$ |
| $[Ni(CO)_4]$ | $Ni$ | $CO$ | 4 | 0 |
| $[PtCl_2(NH_3)_2]$ | $Pt^{2+}$ | $Cl^-$, $NH_3$ | 4 | $+2 + 2(-1) + 2(0) = 0$ |
Dạng 2: Xác định dạng hình học của phức chất
Phương pháp giải:
Quy tắc nhanh:
| Số phối tử | Dạng hình học có thể |
|---|---|
| 4 | Tứ diện HOẶC Vuông phẳng |
| 6 | Bát diện |
Lưu ý:
- Phức chất của $Pt^{2+}$, $Pd^{2+}$, $Ni^{2+}$ (với phối tử mạnh) thường có dạng vuông phẳng
- Phức chất của $Zn^{2+}$, $Co^{2+}$, $Ni^{2+}$ (với phối tử yếu) thường có dạng tứ diện
- Phức chất aqua thường có dạng bát diện
Ví dụ mẫu:
Bài tập: Dự đoán dạng hình học của phức chất $[Cu(H_2O)_6]^{2+}$
Lời giải:
- Số phối tử: 6 phân tử $H_2O$
- Theo bảng: 6 phối tử → dạng bát diện
- Kết luận: $[Cu(H_2O)_6]^{2+}$ có dạng hình học bát diện
Dạng 3: Giải thích sự hình thành liên kết cho-nhận trong phức chất
Phương pháp giải:
Bước 1: Viết cấu hình electron của nguyên tử trung tâm (ion kim loại)
Bước 2: Xác định các AO trống có năng lượng thấp nhất của ion kim loại
Bước 3: Xác định số cặp electron chưa liên kết của phối tử
Bước 4: Mô tả sự hình thành liên kết: Phối tử cho cặp e vào AO trống của M
Ví dụ mẫu:
Bài tập: Giải thích sự hình thành liên kết trong phức chất $[Ag(NH_3)_2]^+$
Lời giải:
Bước 1: Cấu hình electron của $Ag^+$: $$Ag^+: [Kr]4d^{10}$$
Bước 2: Các AO trống của $Ag^+$:
- Phân lớp 4d đã đầy
- AO trống có năng lượng thấp nhất: 5s và 5p (2 orbital phù hợp để tạo 2 liên kết)
Bước 3: Phối tử $NH_3$:
- Nguyên tử N có 1 cặp electron chưa liên kết
Bước 4: Sự hình thành liên kết:
- 2 phân tử $NH_3$ cho 2 cặp electron vào 2 AO trống (5s, 5p) của $Ag^+$
- Tạo thành 2 liên kết cho-nhận
- Phức chất $[Ag(NH_3)_2]^+$ có dạng đường thẳng
Dạng 4: Viết công thức và mô tả phức chất aqua
Phương pháp giải:
Bước 1: Xác định ion kim loại và điện tích của nó
Bước 2: Viết công thức phức chất aqua: $[M(H_2O)_6]^{n+}$ (thường n = 6)
Bước 3: Xác định:
- Nguyên tử trung tâm: ion kim loại $M^{n+}$
- Phối tử: $H_2O$
- Dạng hình học: bát diện (với 6 phối tử)
- Loại liên kết: cho-nhận
Ví dụ mẫu:
Bài tập: Trong dung dịch nước, ion $Al^{3+}$ tồn tại ở dạng ion phức chất aqua với 6 phối tử nước.
a) Viết công thức cấu tạo của ion phức chất, chỉ ra nguyên tử trung tâm và phối tử
b) Vẽ dạng hình học của phức chất
c) Nêu kiểu liên kết hóa học giữa nguyên tử trung tâm và phối tử
Lời giải:
a) Công thức phức chất aqua: $[Al(H_2O)_6]^{3+}$
- Nguyên tử trung tâm: $Al^{3+}$
- Phối tử: $H_2O$ (6 phân tử)
b) Dạng hình học: Bát diện (6 phối tử nước ở 6 đỉnh, ion $Al^{3+}$ ở tâm)
c) Loại liên kết: Liên kết cho-nhận
- Phân tử $H_2O$ (có cặp e chưa liên kết ở O) cho cặp electron
- Ion $Al^{3+}$ (có AO trống) nhận cặp electron
ThS. Lê Thị Mai Nhi
(Người kiểm duyệt, ra đề)
Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Hoá Học THPT
Trình độ: Thạc sĩ Hóa học, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ STEM, Ngoại ngữ B1
Kinh nghiệm: 10+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Chuyên Nguyễn Huệ