Bài 29. Một số tính chất và ứng dụng của phức chất – Tóm tắt Hoá học 12

1. Nhắc lại: phức chất, khái niệm và cấu tạo

Định nghĩa

Phức chất là hợp chất trong đó một ion (hoặc nguyên tử) kim loại (thường là kim loại chuyển tiếp) ở vị trí trung tâm liên kết với một số phân tử hoặc ion, gọi là phối tử, bằng liên kết cho – nhận.
Liên kết cho – nhận là liên kết cộng hoá trị mà cặp electron dùng chung do một nguyên tử đóng góp. Phối tử có cặp electron tự do đóng vai trò cho cặp electron (base Lewis); ion kim loại trung tâm nhận cặp electron (acid Lewis).

Ví dụ: $[\mathrm{Cu(NH_3)_4}]\mathrm{SO_4}$ , $[\mathrm{Ag(NH_3)_2}]\mathrm{Cl}$ , $\mathrm{Na}[\mathrm{Al(OH)_4}]$ , $\mathrm{K_3}[\mathrm{FeF_6}]$ .

Cấu tạo ion phức chất

Ion phức chất được viết trong ngoặc vuông theo dạng $[\mathrm{M(L)_n}]^q$ , trong đó:

M: ion (hoặc nguyên tử) trung tâm, thường là ion của kim loại chuyển tiếp, ví dụ $\mathrm{Fe^{2+}, Fe^{3+}, Cu^{2+}, Ag^+}$ .
L: phối tử, ví dụ $\mathrm{H_2O, NH_3, OH^-, CN^-, SCN^-, F^-}, \ldots$ Cặp electron tự do nằm ở nguyên tử N, O, F, S, C trong phối tử.
q: điện tích của ion phức chất, $q =$ điện tích của M + tổng điện tích của các phối tử.
Số phối trí: số vị trí liên kết tại nguyên tử trung tâm; với các phối tử chỉ tạo một liên kết thì bằng số phối tử.

Ion phức chất	Trung tâm	Phối tử	Số phối trí
$[\mathrm{Cu(NH_3)_4}]^{2+}$	$\mathrm{Cu^{2+}}$	$\mathrm{NH_3}$	4
$[\mathrm{Ag(NH_3)_2}]^{+}$	$\mathrm{Ag^+}$	$\mathrm{NH_3}$	2
$[\mathrm{Fe(SCN)}]^{2+}$	$\mathrm{Fe^{3+}}$	$\mathrm{SCN^-}$	1
$[\mathrm{Al(OH)_4}]^{-}$	$\mathrm{Al^{3+}}$	$\mathrm{OH^-}$	4
$[\mathrm{FeF_6}]^{3-}$	$\mathrm{Fe^{3+}}$	$\mathrm{F^-}$	6

2. Tính chất của phức chất

2.1 Sự tạo thành phức chất aqua và phản ứng thay thế phối tử

Trong dung dịch nước, nhiều ion kim loại chuyển tiếp tồn tại ở dạng phức chất aqua, ví dụ $[\mathrm{Cu(H_2O)_6}]^{2+}$ , $[\mathrm{Co(H_2O)_6}]^{2+}$ . Phối tử $\mathrm{H_2O}$ có thể bị thay thế một phần hoặc hoàn toàn bởi phối tử khác, kèm theo sự đổi màu:

[\mathrm{Cu(H_2O)_6}]^{2+} + 4\mathrm{Cl^-} \rightleftharpoons [\mathrm{CuCl_4}]^{2-} + 6\mathrm{H_2O}

[\mathrm{Co(H_2O)_6}]^{2+} + 4\mathrm{Cl^-} \rightleftharpoons [\mathrm{CoCl_4}]^{2-} + 6\mathrm{H_2O}

Dạng hình học có thể thay đổi: phức aqua bát diện, $[\mathrm{CoCl_4}]^{2-}$ tứ diện.

2.2 Màu sắc của dung dịch phức chất

Màu sắc.

Trong dung dịch, ion phức chất thường có màu đặc trưng, khác với màu sắc của ion kim loại tự do; điều đó là cơ sở để nhận biết một số ion bằng mắt thường. Tuy nhiên, cũng có nhiều phức chất vô màu.

Vì sao ion phức chất lại có màu?

Ion của kim loại chuyển tiếp có các orbital $d$ chưa lấp đầy. Khi tạo phức chất, các orbital $d$ bị tách thành nhiều mức năng lượng khác nhau. Ion phức hấp thụ một vùng ánh sáng nhất định của ánh sáng nhìn thấy để đưa electron $d$ lên mức năng lượng cao hơn; phần ánh sáng còn lại truyền tới mắt nên ta thấy màu đặc trưng.

Ion phức chất	Màu dung dịch	Tình huống gặp phức chất
$[\mathrm{Cu(H_2O)_6}]^{2+}$	xanh lam	dung dịch muối $\mathrm{Cu^{2+}}$
$[\mathrm{Cu(NH_3)_4}]^{2+}$	xanh lam đậm	cho $\mathrm{NH_3}$ dư vào dung dịch $\mathrm{Cu^{2+}}$
$\mathrm{Fe^{3+}}$ (phức aqua)	vàng nâu	dung dịch muối $\mathrm{Fe^{3+}}$
$[\mathrm{CuCl_4}]^{2-}$	vàng	cho HCl đặc vào dung dịch $\mathrm{Cu^{2+}}$
$[\mathrm{CoCl_4}]^{2-}$	xanh dương	cho HCl đặc vào dung dịch $\mathrm{Co^{2+}}$ (hồng)
$[\mathrm{Fe(SCN)}]^{2+}$	đỏ máu	cho $\mathrm{SCN^-}$ (từ $\mathrm{KSCN}$ ) vào dung dịch $\mathrm{Fe^{3+}}$
$[\mathrm{FeF_6}]^{3-}$	không màu	cho $\mathrm{F^-}$ vào dung dịch $\mathrm{Fe^{3+}}$
$[\mathrm{Ag(NH_3)_2}]^{+}$	không màu	$\mathrm{AgCl}$ tan trong dung dịch $\mathrm{NH_3}$ dư

2.3 Độ bền vững của phức chất

Tính bền vững.

Một ion phức chất được coi là bền vững khi phối tử gắn chặt với ion trung tâm, khó bị tách ra trong dung dịch; nếu phối tử dễ rời bỏ thì phức chất kém bền. Khi đổi phối tử hoặc thay đổi điều kiện, phức kém bền bị phá vỡ, biến đổi màu sắc hoặc sinh kết tủa.

Nhận xét từ các thí nghiệm

$\mathrm{Cu(OH)_2}$ không tan trong nước lại tan trong dung dịch $\mathrm{NH_3}$ dư, cho dung dịch xanh lam đậm hơn: phức chất $[\mathrm{Cu(NH_3)_4}]^{2+}$ bền hơn kết tủa hydroxide.
Dung dịch $\mathrm{Fe^{3+}}$ màu vàng nâu; khi có $\mathrm{SCN^-}$ chuyển sang đỏ máu; khi có $\mathrm{F^-}$ thành không màu: màu sắc của dung dịch thay đổi theo phối tử.

3. Điều chế một số phức chất trong dung dịch

Các phản ứng dưới đây xảy ra trong dung dịch nước; khi cần thì dùng dung dịch phối tử dư để tạo phức chất:

\mathrm{Cu^{2+}} + 2\mathrm{NH_3} + 2\mathrm{H_2O} \longrightarrow \mathrm{Cu(OH)_2}\downarrow + 2\mathrm{NH_4^+}

\mathrm{Cu(OH)_2} + 4\mathrm{NH_3} \longrightarrow [\mathrm{Cu(NH_3)_4}]^{2+} + 2\mathrm{OH^-}

\mathrm{AgCl} + 2\mathrm{NH_3} \longrightarrow [\mathrm{Ag(NH_3)_2}]^{+} + \mathrm{Cl^-}

\mathrm{Fe^{3+}} + \mathrm{SCN^-} \longrightarrow [\mathrm{Fe(SCN)}]^{2+}

\mathrm{Fe^{3+}} + 6\mathrm{F^-} \longrightarrow [\mathrm{FeF_6}]^{3-}

\mathrm{Al(OH)_3} + \mathrm{OH^-} \longrightarrow [\mathrm{Al(OH)_4}]^{-}

4. Ứng dụng của phức chất

Phân tích định tính: dùng màu sắc phức chất để nhận biết ion. Ví dụ: nhận biết $\mathrm{Fe^{3+}}$ bằng dung dịch $\mathrm{KSCN}$ cho màu đỏ máu; nhận biết $\mathrm{Cu^{2+}}$ bằng dung dịch $\mathrm{NH_3}$ dư cho kết tủa xanh lam rồi tan thành dung dịch xanh lam đậm; $\mathrm{AgCl}$ tan trong dung dịch $\mathrm{NH_3}$ dư nhờ tạo phức $[\mathrm{Ag(NH_3)_2}]^{+}$ .
Ẩn ion gây nhiễu: thêm phối tử mạnh để chuyển ion gây nhiễu thành phức bền vững, không màu hoặc màu gần như cố định. Ví dụ: che $\mathrm{Fe^{3+}}$ bằng $\mathrm{F^-}$ qua phức $[\mathrm{FeF_6}]^{3-}$ để thuốc thử chỉ phản ứng với ion cần nhận biết.
Nước cứng, phân tích định lượng: EDTA tạo phức chất bền với $\mathrm{Ca^{2+}}, \mathrm{Mg^{2+}}$ nên được dùng để xác định độ cứng của nước, làm mềm nước và định lượng ion kim loại.
Trong cơ thể sống: hemoglobin là phức chất của sắt (vận chuyển oxygen trong máu), chlorophyll là phức chất của magnesium (tham gia quang hợp ở thực vật).
Y học: cisplatin $[\mathrm{PtCl_2(NH_3)_2}]$ là phức chất của platinum dùng làm thuốc điều trị ung thư.
Công nghiệp: dùng phức chất trong thuộc da, nhuộm màu, mạ điện và làm chất xúc tác.

5. Phương pháp giải bài tập

Các bước thường dùng

1.
Phân tích công thức phức chất: xác định ion (nguyên tử) trung tâm, phối tử, số phối trí, điện tích ion phức bằng cách cân bằng điện tích: $q =$ điện tích trung tâm + tổng điện tích phối tử.
2.
Dự đoán màu sắc, hiện tượng: phức của $\mathrm{Cu^{2+}}$ thường xanh lam; $\mathrm{Fe^{3+}}$ với $\mathrm{SCN^-}$ cho đỏ máu; phức $[\mathrm{FeF_6}]^{3-}$ và phức của $\mathrm{Ag^+}$ thường không màu; $\mathrm{Zn^{2+}}$ với $\mathrm{NH_3}$ cho phức không màu.
3.
Giải thích sự tan hoặc sinh kết tủa: nếu phối tử mới tạo được phức bền hơn (gắn chặt hơn) thì kết tủa hoặc phức cũ bị phá vỡ, cân bằng chuyển dịch theo chiều tạo thành phức mới.
4.
Viết phương trình: cân bằng cả nguyên tố lẫn điện tích; ghi màu sắc hoặc dùng dấu $\downarrow$ cạnh chất rắn kết tủa.

6. Ví dụ minh hoạ

Ví dụ 1

Cho từ từ dung dịch $\mathrm{NaOH}$ vào dung dịch $\mathrm{CuSO_4}$ , sau đó cho thêm dung dịch $\mathrm{NH_3}$ dư. Giải thích hiện tượng và viết phương trình hoá học.

Lời giải · 3 bước

Ban đầu sinh kết tủa xanh lam:

\mathrm{Cu^{2+}} + 2\mathrm{OH^-} \longrightarrow \mathrm{Cu(OH)_2}\downarrow \ (\text{xanh lam})

Bước 2

Cho $\mathrm{NH_3}$ dư, kết tủa tan, dung dịch trở thành xanh lam đậm hơn do tạo phức chất bền vững hơn kết tủa hydroxide:

\mathrm{Cu(OH)_2} + 4\mathrm{NH_3} \longrightarrow [\mathrm{Cu(NH_3)_4}]^{2+} + 2\mathrm{OH^-}

Bước 3

Viết gọn từ muối: $\mathrm{CuSO_4} + 4\mathrm{NH_3} \longrightarrow [\mathrm{Cu(NH_3)_4}]\mathrm{SO_4}$ .

Ví dụ 2

Làm thế nào để nhận biết dung dịch có chứa ion $\mathrm{Fe^{3+}}$ ? Viết phương trình hoá học và giải thích vì sao thêm $\mathrm{NaF}$ dư thì màu đỏ máu lại mất.

Lời giải · 3 bước

Cho vài giọt dung dịch $\mathrm{KSCN}$ vào mẫu thử; nếu dung dịch chuyển màu đỏ máu thì có $\mathrm{Fe^{3+}}$ :

\mathrm{Fe^{3+}} + \mathrm{SCN^-} \longrightarrow [\mathrm{Fe(SCN)}]^{2+}

Bước 2

Khi cho $\mathrm{NaF}$ dư, $\mathrm{SCN^-}$ bị phối tử $\mathrm{F^-}$ mạnh hơn thay thế, tạo phức fluoride không màu nên màu đỏ máu mất:

[\mathrm{Fe(SCN)}]^{2+} + 6\mathrm{F^-} \longrightarrow [\mathrm{FeF_6}]^{3-} + \mathrm{SCN^-}

Bước 3

Hai vế điện tích đều bằng $-4$ , phương trình đã cân bằng.

Ví dụ 3

Trong ion phức chất $[\mathrm{Fe(CN)_6}]^{3-}$ , hãy xác định phối tử, số phối trí và số oxi hoá của nguyên tử sắt.

Lời giải · 2 bước

Gọi số oxi hoá của Fe là $x$ . Phối tử là $\mathrm{CN^-}$ , có 6 phối tử nên số phối trí bằng 6. Điện tích ion phức cho:

x + 6 \cdot (-1) = -3 \quad \Rightarrow \quad x = +3

Bước 2

Vậy ion trung tâm là $\mathrm{Fe^{3+}}$ , phối tử là $\mathrm{CN^-}$ , số phối trí bằng 6, điện tích ion phức bằng $-3$ .

Ví dụ 4

Cho kết tủa $\mathrm{AgCl}$ vào dung dịch $\mathrm{NH_3}$ đặc, kết tủa tan. Sau đó cho thêm dung dịch $\mathrm{HNO_3}$ dư, có hiện tượng gì xảy ra? Giải thích và viết phương trình.

Lời giải · 2 bước

Kết tủa tan do tạo phức chất:

\mathrm{AgCl} + 2\mathrm{NH_3} \longrightarrow [\mathrm{Ag(NH_3)_2}]^{+} + \mathrm{Cl^-}

Bước 2

Khi thêm $\mathrm{HNO_3}$ dư, $\mathrm{H^+}$ liên kết với $\mathrm{NH_3}$ tạo $\mathrm{NH_4^+}$ , làm giảm nồng độ phối tử tự do. Phức chất bị phá vỡ, giải phóng $\mathrm{Ag^+}$ kết hợp với $\mathrm{Cl^-}$ nên $\mathrm{AgCl}$ kết tủa lại:

[\mathrm{Ag(NH_3)_2}]^{+} + 2\mathrm{H^+} + \mathrm{Cl^-} \longrightarrow \mathrm{AgCl}\downarrow + 2\mathrm{NH_4^+}

7. Lưu ý hay nhầm lẫn

Những chỗ dễ sai

Với ion $\mathrm{Cu^{2+}}$ : $\mathrm{NH_3}$ ít tạo kết tủa $\mathrm{Cu(OH)_2}$ ; chỉ khi $\mathrm{NH_3}$ dư mới tan tạo phức $[\mathrm{Cu(NH_3)_4}]^{2+}$ . Không nói "cho $\mathrm{NH_3}$ vào dung dịch $\mathrm{Cu^{2+}}$ là luôn được phức chất xanh".
Số oxi hoá của nguyên tử trung tâm phải suy ra từ điện tích ion phức, không mặc định quen thuộc. Ví dụ Fe trong $[\mathrm{Fe(CN)_6}]^{4-}$ là $+2$ , còn trong $[\mathrm{Fe(CN)_6}]^{3-}$ là $+3$ .
Phức chất vô màu không loại trừ sự tồn tại của nó: $[\mathrm{Ag(NH_3)_2}]^{+}$ và $[\mathrm{FeF_6}]^{3-}$ đều không có màu đặc trưng.
Khi viết phương trình ion phải cân bằng cả điện tích; quên cân bằng điện tích thì phương trình dù đúng nguyên tử vẫn sai.
Kết tủa tan trong dung dịch $\mathrm{NH_3}$ dư là do phản ứng hoá học tạo phức chất, không phải do dung môi hoà tan vật lí thông thường.

Nhớ nhanh

1. Nhắc lại: phức chất, khái niệm và cấu tạo

2. Tính chất của phức chất

2.1 Sự tạo thành phức chất aqua và phản ứng thay thế phối tử

2.2 Màu sắc của dung dịch phức chất

2.3 Độ bền vững của phức chất

3. Điều chế một số phức chất trong dung dịch

4. Ứng dụng của phức chất

5. Phương pháp giải bài tập

6. Ví dụ minh hoạ

7. Lưu ý hay nhầm lẫn