Bài 30. Ôn tập chương 8 – Tóm tắt Hoá học 12

1. Dãy kim loại chuyển tiếp thứ nhất

1.1 Cấu tạo và tính chất chung

Dãy kim loại chuyển tiếp thứ nhất thuộc chu kì 4, gồm các nguyên tố từ $\mathrm{Sc}$ ( $Z=21$ ) đến $\mathrm{Cu}$ ( $Z=29$ ). Nguyên tử có 1 hoặc 2 electron ở phân lớp $4s$ , các electron còn lại điền vào phân lớp $3d$ .

Ví dụ cấu hình electron nguyên tử:

$\mathrm{Cr}$ ( $Z=24$ ): $\mathrm{[Ar]\,3d^5 4s^1}$ .
$\mathrm{Fe}$ ( $Z=26$ ): $\mathrm{[Ar]\,3d^6 4s^2}$ .
$\mathrm{Cu}$ ( $Z=29$ ): $\mathrm{[Ar]\,3d^{10} 4s^1}$ .

Định nghĩa

Kim loại chuyển tiếp là các nguyên tố khối $d$ mà nguyên tử hoặc ion của chúng có phân lớp $d$ chưa được điền đầy electron.

Đặc trưng của kim loại chuyển tiếp dãy thứ nhất.

Nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi cao; khối lượng riêng lớn; cứng; dẫn điện, dẫn nhiệt tốt.
Có nhiều số oxi hoá do electron $4s$ và $3d$ đều có thể tham gia liên kết.
Nhiều ion có màu đặc trưng trong dung dịch.
Nhiều kim loại và hợp chất có tác dụng xúc tác; dễ tạo phức chất.

Số oxi hoá thường gặp: $\mathrm{Sc}(+3)$ , $\mathrm{Ti}(+4)$ , $\mathrm{V}(+5)$ , $\mathrm{Cr}(+3,+6)$ , $\mathrm{Mn}(+2,+4,+7)$ , $\mathrm{Fe}(+2,+3)$ , $\mathrm{Co}(+2,+3)$ , $\mathrm{Ni}(+2)$ , $\mathrm{Cu}(+1,+2)$ .

1.2 Màu của một số ion trong dung dịch

Ion trong dung dịch	Màu đặc trưng
$\mathrm{Sc^{3+}}$ ( $d^0$ )	không màu
$\mathrm{Ti^{3+}}$	tím
$\mathrm{V^{3+}}$	xanh lục
$\mathrm{Cr^{3+}}$	xanh lục (tím)
$\mathrm{Mn^{2+}}$	hồng nhạt
$\mathrm{Fe^{2+}}$	lục nhạt
$\mathrm{Fe^{3+}}$	vàng nâu
$\mathrm{Co^{2+}}$	hồng
$\mathrm{Ni^{2+}}$	xanh lục
$\mathrm{Cu^{2+}}$	xanh lam
$\mathrm{Zn^{2+}}$ ( $d^{10}$ )	không màu

Lưu ý

Ion có phân lớp $d$ chưa đầy thường có màu. Ion có cấu hình $d^0$ (như $\mathrm{Sc^{3+}}$ ) hoặc $d^{10}$ (như $\mathrm{Zn^{2+}}$ , $\mathrm{Cu^+}$ ) thường không màu.

1.3 Phương trình hoá học tiêu biểu

Với phi kim:

2\mathrm{Fe}+3\mathrm{Cl_2}\xrightarrow{t^\circ}2\mathrm{FeCl_3}

3\mathrm{Fe}+2\mathrm{O_2}\xrightarrow{t^\circ}\mathrm{Fe_3O_4}

Với hơi nước:

3\mathrm{Fe}+4\mathrm{H_2O}_{(h)}\xrightarrow{t^\circ<570^\circ\mathrm{C}}\mathrm{Fe_3O_4}+4\mathrm{H_2}

Với dung dịch acid: kim loại đứng trước $\mathrm{H}$ phản ứng với $\mathrm{HCl}$ , $\mathrm{H_2SO_4}$ loãng giải phóng khí $\mathrm{H_2}$ :

\mathrm{Fe}+2\mathrm{HCl}\longrightarrow\mathrm{FeCl_2}+\mathrm{H_2}\uparrow

$\mathrm{Cu}$ không phản ứng với $\mathrm{HCl}$ , $\mathrm{H_2SO_4}$ loãng nhưng phản ứng với acid có tính oxi hoá mạnh:

\mathrm{Cu}+2\mathrm{H_2SO_4}_{\text{(đặc)}}\xrightarrow{t^\circ}\mathrm{CuSO_4}+\mathrm{SO_2}\uparrow+2\mathrm{H_2O}

Nhận biết ion bằng dung dịch $\mathrm{NaOH}$ : $\mathrm{Fe(OH)_2}$ trắng hơi xanh, $\mathrm{Fe(OH)_3}$ nâu đỏ, $\mathrm{Cu(OH)_2}$ xanh lam. Chuẩn độ $\mathrm{Fe^{2+}}$ bằng $\mathrm{KMnO_4}$ :

\mathrm{5Fe^{2+}+MnO_4^-+8H^+\longrightarrow 5Fe^{3+}+Mn^{2+}+4H_2O}

2. Phức chất

2.1 Cấu tạo và thành phần

Định nghĩa

Phức chất gồm nguyên tử (hoặc ion) trung tâm liên kết với các phối tử bằng liên kết cho – nhận. Phần trong ngoặc vuông có thể là ion phức (như $[\mathrm{Cu(NH_3)_4}]^{2+}$ ) hoặc phân tử trung hoà (như $[\mathrm{PtCl_2(NH_3)_2}]$ ).

Thành phần chính:

Nguyên tử trung tâm: thường là ion kim loại chuyển tiếp, có orbital trống nhận cặp electron.
Phối tử: phân tử hoặc ion có cặp electron tự do, cho cặp electron cho nguyên tử trung tâm (ví dụ $\mathrm{NH_3}$ , $\mathrm{H_2O}$ , $\mathrm{CN^-}$ , $\mathrm{Cl^-}$ , $\mathrm{OH^-}$ , $\mathrm{SCN^-}$ ).
Số phối trí: số liên kết giữa nguyên tử trung tâm và các phối tử (với phối tử chỉ tạo một liên kết thì bằng số phối tử).

Dạng hình học thường gặp

Số phối trí 4: tứ diện (như $[\mathrm{Zn(NH_3)_4}]^{2+}$ , $[\mathrm{CoCl_4}]^{2-}$ ) hoặc vuông phẳng (như $[\mathrm{PtCl_4}]^{2-}$ ).
Số phối trí 6: bát diện (như $[\mathrm{Fe(H_2O)_6}]^{3+}$ , $[\mathrm{Fe(CN)_6}]^{3-}$ ).

Xác định điện tích, số oxi hoá của nguyên tử trung tâm.

Điện tích phần trong ngoặc vuông bằng số oxi hoá của nguyên tử trung tâm cộng tổng điện tích các phối tử.

Ví dụ: trong $[\mathrm{Fe(CN)_6}]^{4-}$ : $x+6(-1)=-4\Rightarrow x=+2$ ; trong $[\mathrm{Fe(CN)_6}]^{3-}$ : $x=+3$ .

2.2 Tính chất của phức chất

Trong nước, nhiều ion kim loại chuyển tiếp tồn tại dưới dạng phức chất aqua (như $[\mathrm{Cu(H_2O)_6}]^{2+}$ ).
Phối tử trong phức chất có thể bị thay thế bởi phối tử khác, thường kèm theo sự đổi màu hoặc sự tan của kết tủa.

2.3 Phương trình tiêu biểu của phức chất

\mathrm{CuSO_4}+4\mathrm{NH_3}\longrightarrow[\mathrm{Cu(NH_3)_4}]\mathrm{SO_4}

[\mathrm{Cu(H_2O)_6}]^{2+}+4\mathrm{NH_3}\longrightarrow[\mathrm{Cu(NH_3)_4(H_2O)_2}]^{2+}+4\mathrm{H_2O}

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

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

\mathrm{Fe^{3+}}+\mathrm{SCN^-}\longrightarrow[\mathrm{Fe(SCN)}]^{2+}\quad\text{(màu đỏ máu)}

3. Ứng dụng

Hoá học phân tích: tạo phức chất có màu để nhận biết ion kim loại (như $\mathrm{Fe^{3+}}$ với $\mathrm{SCN^-}$ ); dùng EDTA để chuẩn độ ion kim loại, xác định độ cứng của nước.
Mạ điện: dung dịch chứa phức $[\mathrm{Ag(CN)_2}]^-$ dùng trong mạ bạc.
Chất màu: xanh Phổ $\mathrm{Fe_4[Fe(CN)_6]_3}$ .
Y học: cisplatin $[\mathrm{PtCl_2(NH_3)_2}]$ dùng điều trị ung thư.
Sinh học: hemoglobin chứa $\mathrm{Fe}$ , chlorophyll chứa $\mathrm{Mg}$ , vitamin $\mathrm{B_{12}}$ chứa $\mathrm{Co}$ .
Kim loại chuyển tiếp và hợp chất làm xúc tác: $\mathrm{V_2O_5}$ trong sản xuất $\mathrm{H_2SO_4}$ , $\mathrm{Fe}$ trong tổng hợp $\mathrm{NH_3}$ .

4. Phương pháp giải bài tập

Các bước giải bài tập phức chất

1.
Xác định nguyên tử trung tâm, phối tử, số phối trí: phần trong ngoặc vuông là phức (ion phức), phần ngoài là ion trái dấu.
2.
Tính số oxi hoá của kim loại: lấy điện tích phần trong ngoặc vuông trừ đi tổng điện tích của các phối tử.
3.
Dựa vào số phối trí để dự đoán dạng hình học (4: tứ diện hoặc vuông phẳng; 6: bát diện).
4.
Với bài hiện tượng: xét sự tan của kết tủa khi tạo phức, sự đổi màu khi thay thế phối tử.

5. Ví dụ có lời giải

Ví dụ 1

Xác định số oxi hoá của sắt, số phối trí và dạng hình học của ion $[\mathrm{Fe(CN)_6}]^{4-}$ .

Lời giải · 2 bước

Gọi số oxi hoá của $\mathrm{Fe}$ là $x$ . Vì $\mathrm{CN^-}$ có điện tích $-1$ :

x+6(-1)=-4\Rightarrow x=+2.

Bước 2

Có 6 phối tử $\mathrm{CN^-}$ , mỗi phối tử tạo một liên kết nên số phối trí bằng 6; ion phức có dạng bát diện.

Ví dụ 2

Viết phương trình hoá học khi cho dung dịch $\mathrm{CuSO_4}$ tác dụng với dung dịch $\mathrm{NH_3}$ đến dư và cho biết hiện tượng.

Lời giải · 3 bước

Ban đầu tạo kết tủa $\mathrm{Cu(OH)_2}$ màu xanh lam:

\mathrm{CuSO_4}+2\mathrm{NH_3}+2\mathrm{H_2O}\longrightarrow\mathrm{Cu(OH)_2}\downarrow+(\mathrm{NH_4})_2\mathrm{SO_4}

Bước 2

Khi $\mathrm{NH_3}$ dư, kết tủa tan do tạo phức chất màu xanh lam đậm:

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

Bước 3

Hiện tượng: xuất hiện kết tủa xanh lam, sau đó kết tủa tan tạo dung dịch xanh lam đậm.

Ví dụ 3

Phân biệt hai dung dịch $\mathrm{FeCl_2}$ và $\mathrm{FeCl_3}$ .

Lời giải

Dùng $\mathrm{KSCN}$ : dung dịch $\mathrm{FeCl_3}$ chuyển màu đỏ máu do tạo phức chất $[\mathrm{Fe(SCN)}]^{2+}$ ; dung dịch $\mathrm{FeCl_2}$ không có hiện tượng này.
Hoặc dùng $\mathrm{NaOH}$ : $\mathrm{FeCl_2}$ tạo kết tủa trắng hơi xanh $\mathrm{Fe(OH)_2}$ ; $\mathrm{FeCl_3}$ tạo kết tủa nâu đỏ $\mathrm{Fe(OH)_3}$ :

$\mathrm{FeCl_3}+3\mathrm{NaOH}\longrightarrow\mathrm{Fe(OH)_3}\downarrow+3\mathrm{NaCl}$

Ví dụ 4

Cho phản ứng:

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

Chất nào là phối tử trong phức chất tạo thành?