Bài 28. Sơ lược về phức chất
Tìm hiểu về cấu tạo, danh pháp và tính chất của phức chất.
Lý thuyết Phức chất
1. Khái niệm và cấu tạo
a) Định nghĩa
Phức chất: Là hợp chất trong đó có chứa ion phức hoặc phân tử phức.
Ion phức: Là ion phức tạp được tạo thành từ ion trung tâm (thường là ion kim loại) liên kết với các phối tử (ligand).
Ví dụ:
- [Cu(NH₃)₄]²⁺: Ion phức dương
- [Fe(CN)₆]⁴⁻: Ion phức âm
- [Ag(NH₃)₂]Cl: Phức chất
b) Cấu tạo phức chất
Các thành phần:
1. Ion trung tâm (M):
- Thường là ion kim loại chuyển tiếp
- Có orbital trống (d, s, p)
- Ví dụ: Cu²⁺, Fe³⁺, Ag⁺, Co³⁺
2. Phối tử (Ligand - L):
- Là ion hoặc phân tử có cặp electron tự do
- Cho cặp electron cho ion trung tâm
- Ví dụ: NH₃, H₂O, Cl⁻, CN⁻, OH⁻
3. Số phối trí:
- Là số phối tử liên kết trực tiếp với ion trung tâm
- Phổ biến: 2, 4, 6
4. Ion ngoại vi:
- Là ion không liên kết trực tiếp với ion trung tâm
- Nằm ngoài ngoặc vuông
Công thức chung:
[M(L)ₙ]^m± hoặc [M(L)ₙ]^m±Xₚ
M: Ion trung tâm
L: Phối tử
n: Số phối trí
m: Điện tích ion phức
X: Ion ngoại vi
c) Liên kết trong phức chất
Liên kết cho nhận:
- Phối tử (donor) cho cặp electron
- Ion trung tâm (acceptor) nhận cặp electron
- Tạo liên kết cộng hóa trị phối trí
Ví dụ:
Cu²⁺ + 4NH₃ → [Cu(NH₃)₄]²⁺
- NH₃ có cặp electron tự do trên N
- Cu²⁺ có orbital 3d, 4s, 4p trống
- NH₃ cho electron → Cu²⁺ nhận
2. Danh pháp phức chất
a) Nguyên tắc đọc tên
Thứ tự đọc:
1. Đọc cation trước, anion sau
2. Trong ion phức: Đọc phối tử trước, ion trung tâm sau
3. Số phối tử: di-, tri-, tetra-, penta-, hexa-
4. Tên phối tử + tên kim loại + số oxi hóa (La Mã)
b) Tên các phối tử thường gặp
| Phối tử | Tên trong phức |
|---|---|
| NH₃ | ammin |
| H₂O | aqua |
| Cl⁻ | chloro |
| CN⁻ | cyano |
| OH⁻ | hydroxo |
| NO₂⁻ | nitro |
| SO₄²⁻ | sulfato |
c) Ví dụ đọc tên
1. [Cu(NH₃)₄]SO₄:
- Cation: [Cu(NH₃)₄]²⁺
- Anion: SO₄²⁻
- Tên: Tetraamminđồng(II) sulfate
2. K₃[Fe(CN)₆]:
- Cation: K⁺
- Anion: [Fe(CN)₆]³⁻
- Tên: Kali hexacyanosắt(III)
3. [Ag(NH₃)₂]Cl:
- Cation: [Ag(NH₃)₂]⁺
- Anion: Cl⁻
- Tên: Diammimbạc(I) chloride
4. [Co(NH₃)₆]Cl₃:
- Tên: Hexaammincoban(III) chloride
5. Na₂[Zn(OH)₄]:
- Tên: Natri tetrahydroxozincat(II)
d) Lưu ý đặc biệt
1. Ion phức âm:
- Thêm đuôi "-at" vào tên kim loại
- Ví dụ: Fe → ferrat, Zn → zincat, Al → aluminat
2. Số oxi hóa:
- Viết bằng số La Mã trong ngoặc đơn
- Ví dụ: Cu(II), Fe(III), Ag(I)
3. Thứ tự phối tử:
- Phối tử trung hòa trước (NH₃, H₂O)
- Phối tử âm sau (Cl⁻, CN⁻)
3. Tính chất của phức chất
a) Tính bền
Hằng số bền (K_b hoặc β):
Đặc trưng cho độ bền của phức chất trong dung dịch.
Ví dụ:
Cu²⁺ + 4NH₃ ⇌ [Cu(NH₃)₄]²⁺
K_b = [[Cu(NH₃)₄]²⁺] / ([Cu²⁺][NH₃]⁴)
Độ bền:
- K_b lớn → Phức bền
- K_b nhỏ → Phức kém bền
Thứ tự độ bền (với Cu²⁺):
[Cu(CN)₄]²⁻ > [Cu(NH₃)₄]²⁺ > [Cu(H₂O)₄]²⁺
b) Màu sắc
Phức chất thường có màu đặc trưng do sự chuyển electron giữa các orbital d.
| Phức chất | Màu sắc |
|---|---|
| [Cu(NH₃)₄]²⁺ | Xanh thẫm |
| [Cu(H₂O)₄]²⁺ | Xanh lam |
| [Fe(CN)₆]⁴⁻ | Vàng nhạt |
| [Fe(CN)₆]³⁻ | Vàng |
| [Co(NH₃)₆]³⁺ | Vàng cam |
c) Phản ứng tạo phức
1. Phản ứng với NH₃:
Cu²⁺ + 4NH₃ → [Cu(NH₃)₄]²⁺ (xanh thẫm)
Ag⁺ + 2NH₃ → [Ag(NH₃)₂]⁺ (không màu)
2. Phản ứng với CN⁻:
Fe³⁺ + 6CN⁻ → [Fe(CN)₆]³⁻ (vàng)
Fe²⁺ + 6CN⁻ → [Fe(CN)₆]⁴⁻ (vàng nhạt)
3. Phản ứng với OH⁻:
Zn²⁺ + 4OH⁻ → [Zn(OH)₄]²⁻ (không màu)
Al³⁺ + 4OH⁻ → [Al(OH)₄]⁻ (không màu)
d) Phản ứng phân hủy phức
1. Bằng acid mạnh:
[Cu(NH₃)₄]²⁺ + 4H⁺ → Cu²⁺ + 4NH₄⁺
2. Bằng phối tử mạnh hơn:
[Cu(NH₃)₄]²⁺ + 4CN⁻ → [Cu(CN)₄]²⁻ + 4NH₃
3. Bằng kết tủa:
[Ag(NH₃)₂]⁺ + Cl⁻ → AgCl↓ + 2NH₃
e) Ứng dụng phức chất
1. Nhận biết ion kim loại:
- Cu²⁺ + NH₃ → [Cu(NH₃)₄]²⁺ (xanh thẫm)
- Fe³⁺ + SCN⁻ → [Fe(SCN)]²⁺ (đỏ máu)
2. Tách và tinh chế kim loại:
- Ag + O₂ + CN⁻ → [Ag(CN)₂]⁻ (tách Ag từ quặng)
3. Mạ điện:
- Mạ Ag: Dùng [Ag(CN)₂]⁻
- Mạ Cu: Dùng [Cu(CN)₄]²⁻
4. Y học:
- Hemoglobin: [Fe(II)-porphyrin] (vận chuyển O₂)
- Vitamin B₁₂: [Co(III)-corrin] (chống thiếu máu)
5. Xúc tác:
- Phức Ni, Pd, Pt: Xúc tác hydro hóa
- Phức V, Mo: Xúc tác oxi hóa
4. Một số phức chất quan trọng
a) Phức của đồng
1. [Cu(NH₃)₄]²⁺:
Điều chế:
CuSO₄ + 4NH₃ → [Cu(NH₃)₄]SO₄
Tính chất:
- Màu xanh thẫm
- Tan trong nước
- Bị phân hủy bởi acid mạnh
Ứng dụng:
- Thuốc thử nhận biết Cu²⁺
- Hòa tan xenlulo (tơ đồng bộ)
2. [Cu(CN)₄]²⁻:
Tính chất:
- Bền hơn [Cu(NH₃)₄]²⁺
- Dùng trong mạ đồng
b) Phức của bạc
[Ag(NH₃)₂]⁺:
Điều chế:
AgCl + 2NH₃ → [Ag(NH₃)₂]Cl
Tính chất:
- Không màu
- Tan trong nước
- Dễ bị khử thành Ag
Ứng dụng:
- Thuốc thử Tollens (nhận biết aldehyde)
- Tráng gương
Phản ứng tráng gương:
RCHO + 2[Ag(NH₃)₂]⁺ + 2OH⁻ → RCOO⁻ + 2Ag↓ + 4NH₃ + H₂O
c) Phức của sắt
1. [Fe(CN)₆]⁴⁻:
Tên: Ion hexacyanosắt(II)
Tính chất:
- Màu vàng nhạt
- Bền trong dung dịch
Phản ứng:
3Fe³⁺ + 2[Fe(CN)₆]⁴⁻ → Fe₃[Fe(CN)₆]₂↓ (xanh Prussen)
2. [Fe(CN)₆]³⁻:
Tên: Ion hexacyanosắt(III)
Tính chất:
- Màu vàng
- Bền trong dung dịch
Phản ứng:
4Fe²⁺ + 3[Fe(CN)₆]³⁻ → Fe₄[Fe(CN)₆]₃↓ (xanh Turnbull)
Ứng dụng:
- Nhận biết Fe²⁺, Fe³⁺
- Sản xuất mực xanh
d) Phức của kẽm và nhôm
1. [Zn(OH)₄]²⁻:
Điều chế:
Zn(OH)₂ + 2OH⁻ → [Zn(OH)₄]²⁻
Tính chất:
- Không màu
- Tan trong base mạnh
2. [Al(OH)₄]⁻:
Điều chế:
Al(OH)₃ + OH⁻ → [Al(OH)₄]⁻
Tính chất:
- Không màu
- Tan trong base mạnh
Ứng dụng:
- Chứng minh tính lưỡng tính của Zn, Al
Các dạng bài tập
Dạng 1: Dạng 1: Bài toán cấu tạo và danh pháp phức chất
Phương pháp giải:
Phương pháp:
- Xác định ion trung tâm, phối tử, số phối trí
- Tính điện tích ion phức
- Đọc tên theo quy tắc IUPAC
- Chú ý thứ tự: phối tử trước, kim loại sau
Ví dụ:
a) Xác định thành phần:
Ion trung tâm: Cu²⁺
Phối tử: NH₃ (ammin)
Số phối trí: 4
Ion ngoại vi: SO₄²⁻
b) Điện tích ion phức:
Gọi điện tích ion phức là x
Phức chất trung hòa điện: x + (-2) = 0
→ x = +2
Vậy ion phức: [Cu(NH₃)₄]²⁺
Kiểm tra:
Cu²⁺ + 4NH₃ (trung hòa) → [Cu(NH₃)₄]²⁺
Điện tích: +2 + 0 = +2 ✓
c) Tên phức chất:
Tên ion phức: Tetraamminđồng(II)
Tên phức chất: Tetraamminđồng(II) sulfate
Giải thích:
- tetra-: 4 phối tử
- ammin: NH₃
- đồng(II): Cu²⁺ (số oxi hóa +2)
- sulfate: SO₄²⁻
d) Phương trình điện li:
[Cu(NH₃)₄]SO₄ → [Cu(NH₃)₄]²⁺ + SO₄²⁻
Lưu ý: Ion phức [Cu(NH₃)₄]²⁺ không điện li tiếp
Đáp án: a) Cu²⁺, NH₃, 4; b) +2; c) Tetraamminđồng(II) sulfate; d) Đã viết
Dạng 2: Dạng 2: Bài toán phản ứng tạo và phân hủy phức
Phương pháp giải:
Phương pháp:
- Viết phương trình tạo phức
- Tính mol, khối lượng, nồng độ
- Chú ý màu sắc đặc trưng
- Phân hủy phức: acid mạnh, phối tử mạnh hơn
Ví dụ:
a) Phương trình tạo phức:
CuSO₄ + 4NH₃ → [Cu(NH₃)₄]SO₄
Hoặc chi tiết hơn:
Cu²⁺ + 4NH₃ → [Cu(NH₃)₄]²⁺
b) Thể tích NH₃:
Tính mol CuSO₄:
M(CuSO₄) = 64 + 32 + 64 = 160 g/mol
n(CuSO₄) = 16 / 160 = 0.1 mol
Tính mol NH₃:
Theo phương trình: n(NH₃) = 4 × n(CuSO₄)
n(NH₃) = 4 × 0.1 = 0.4 mol
Thể tích NH₃ 1M:
V(NH₃) = n / C = 0.4 / 1 = 0.4 lít = 400 ml
c) Hiện tượng:
Ban đầu: Dung dịch CuSO₄ màu xanh lam nhạt
Sau khi thêm NH₃:
- Dung dịch chuyển sang màu xanh thẫm (đặc trưng của [Cu(NH₃)₄]²⁺)
- Màu xanh thẫm bền, không đổi
Giải thích:
- Cu²⁺ (xanh lam nhạt) + NH₃ → [Cu(NH₃)₄]²⁺ (xanh thẫm)
- Phức [Cu(NH₃)₄]²⁺ bền trong dung dịch
d) Phản ứng với HCl:
Phương trình:
[Cu(NH₃)₄]SO₄ + 4HCl → CuSO₄ + 4NH₄Cl
Hoặc:
[Cu(NH₃)₄]²⁺ + 4H⁺ → Cu²⁺ + 4NH₄⁺
Tính mol HCl:
n([Cu(NH₃)₄]²⁺) = 0.1 mol
n(HCl) = 4 × 0.1 = 0.4 mol
Thể tích HCl 2M:
V(HCl) = 0.4 / 2 = 0.2 lít = 200 ml
Hiện tượng:
- Dung dịch từ xanh thẫm chuyển về xanh lam nhạt
- Phức bị phân hủy bởi acid mạnh
Đáp án: b) 400 ml; c) Xanh lam → xanh thẫm; d) 200 ml
Dạng 3: Dạng 3: Bài toán thực tế - Phức chất trong y học và công nghiệp
Phương pháp giải:
Phương pháp:
- Phân tích cấu tạo phức chất sinh học
- Đánh giá vai trò và ứng dụng
- Tính toán liều lượng, nồng độ
- So sánh hiệu quả các phức chất
Ví dụ:
a) Cơ chế vận chuyển O₂:
1. Cấu tạo hemoglobin:
- Phức chất: [Fe(II)-porphyrin]
- Ion trung tâm: Fe²⁺
- Phối tử: Porphyrin (vòng 4 N)
- Số phối trí: 6 (4 N của porphyrin + 1 N của protein + 1 vị trí cho O₂)
2. Quá trình vận chuyển:
Tại phổi (áp suất O₂ cao):
Hb-Fe²⁺ + O₂ ⇌ Hb-Fe²⁺-O₂ (oxyhemoglobin)
- O₂ liên kết với Fe²⁺ (liên kết phối trí)
- Màu đỏ tươi
- Bền ở áp suất O₂ cao
Tại mô (áp suất O₂ thấp):
Hb-Fe²⁺-O₂ ⇌ Hb-Fe²⁺ + O₂
- O₂ tách ra, cung cấp cho tế bào
- Màu đỏ thẫm
- Cân bằng chuyển sang trái
3. Đặc điểm quan trọng:
- Fe²⁺ không bị oxi hóa thành Fe³⁺
- Liên kết O₂ thuận nghịch (không bền quá)
- 1 phân tử hemoglobin vận chuyển 4 phân tử O₂
b) Tại sao CO độc?
1. Phản ứng với CO:
Hb-Fe²⁺ + CO → Hb-Fe²⁺-CO (carboxyhemoglobin)
2. Độ bền:
Hb-Fe²⁺-CO bền hơn Hb-Fe²⁺-O₂ khoảng 200-300 lần
Lý do:
- CO có cặp electron tự do trên C
- CO tạo liên kết π ngược (back-bonding) với Fe²⁺
- Liên kết Fe-CO rất bền, khó tách
3. Hậu quả:
- CO chiếm chỗ của O₂ trên hemoglobin
- Hemoglobin không vận chuyển được O₂
- Tế bào thiếu O₂ → Ngạt, tử vong
4. Nồng độ CO gây nguy hiểm:
| CO (%) | Triệu chứng |
|---|---|
| 0.01-0.02 | Đau đầu nhẹ |
| 0.05-0.1 | Chóng mặt, buồn nôn |
| 0.2-0.3 | Bất tỉnh |
| > 0.5 | Tử vong |
5. Cấp cứu:
- Đưa nạn nhân ra nơi thoáng khí
- Thở O₂ tinh khiết (áp suất cao)
- O₂ dần thay thế CO trên hemoglobin
c) Tính lượng O₂ vận chuyển:
Dữ liệu:
- m(hemoglobin) = 1g
- M(hemoglobin) = 64000 g/mol
- 1 phân tử hemoglobin vận chuyển 4 phân tử O₂
Tính mol hemoglobin:
n(Hb) = 1 / 64000 = 1.5625 × 10⁻⁵ mol
Tính mol O₂:
n(O₂) = 4 × n(Hb) = 4 × 1.5625 × 10⁻⁵
n(O₂) = 6.25 × 10⁻⁵ mol
Khối lượng O₂:
m(O₂) = 6.25 × 10⁻⁵ × 32 = 0.002 g = 2 mg
Thể tích O₂ (đktc):
V(O₂) = 6.25 × 10⁻⁵ × 22.4 = 0.0014 lít = 1.4 ml
Ý nghĩa:
- 1g hemoglobin vận chuyển 2 mg O₂
- Máu người có ~150 g/L hemoglobin
- → Vận chuyển ~300 mg O₂/L máu
d) Vai trò phức chất trong y học:
1. Vận chuyển khí:
a) Hemoglobin [Fe(II)-porphyrin]:
- Vận chuyển O₂ từ phổi đến mô
- Vận chuyển CO₂ từ mô về phổi
- Nồng độ: 120-160 g/L máu
- Thiếu → Thiếu máu, mệt mỏi
b) Myoglobin [Fe(II)-porphyrin]:
- Dự trữ O₂ trong cơ
- Bền hơn hemoglobin
- Quan trọng cho cơ tim, cơ vân
2. Vitamin và enzyme:
a) Vitamin B₁₂ [Co(III)-corrin]:
- Tổng hợp DNA
- Sản xuất hồng cầu
- Bảo vệ thần kinh
- Thiếu → Thiếu máu ác tính
- Liều: 2-3 μg/ngày
b) Cytochrome [Fe-porphyrin]:
- Chuỗi truyền electron
- Sản xuất ATP (năng lượng)
- Trong ty thể
c) Catalase [Fe-porphyrin]:
- Phân hủy H₂O₂ độc
- 2H₂O₂ → 2H₂O + O₂
- Bảo vệ tế bào
3. Thuốc điều trị:
a) Cisplatin [Pt(NH₃)₂Cl₂]:
- Thuốc chống ung thư
- Liên kết DNA, ngăn phân chia tế bào
- Hiệu quả với ung thư tinh hoàn, buồng trứng
- Tác dụng phụ: Độc thận
b) EDTA (phức Ca, Mg):
- Điều trị ngộ độc kim loại nặng (Pb, Hg)
- EDTA tạo phức bền với kim loại độc
- Thải qua nước tiểu
c) Deferoxamine [Fe(III)-chelate]:
- Điều trị thừa sắt
- Tạo phức với Fe³⁺, thải ra ngoài
- Dùng cho bệnh nhân truyền máu nhiều
4. Chẩn đoán:
a) Phức Gadolinium [Gd-DTPA]:
- Thuốc cản quang MRI
- Tăng độ tương phản hình ảnh
- An toàn, thải nhanh
b) Phức Technetium [⁹⁹ᵐTc-phức]:
- Chẩn đoán hình ảnh hạt nhân
- Phát hiện khối u, viêm
- Chu kì bán rã ngắn (6h) → An toàn
5. Bổ sung dinh dưỡng:
a) Sắt hữu cơ [Fe-gluconate]:
- Điều trị thiếu máu
- Hấp thu tốt hơn FeSO₄
- Ít tác dụng phụ
b) Kẽm hữu cơ [Zn-picolinate]:
- Tăng cường miễn dịch
- Hỗ trợ lành vết thương
- Liều: 10-15 mg/ngày
6. Xu hướng nghiên cứu:
a) Phức chất chống ung thư thế hệ mới:
- Phức Ru, Ir: Ít độc hơn Pt
- Nhắm mục tiêu tế bào ung thư
- Nghiên cứu: Đại học Oxford
b) Phức chất kháng khuẩn:
- Phức Ag, Cu: Diệt khuẩn kháng thuốc
- Ứng dụng: Băng vết thương, catheter
c) Phức chất vận chuyển thuốc:
- Phức Fe-nanoparticle
- Vận chuyển thuốc đến đích
- Kiểm soát bằng từ trường
7. Thách thức:
- Độc tính: Cần thiết kế phức bền, ít độc
- Chọn lọc: Nhắm đúng mục tiêu
- Chi phí: Pt, Ru đắt
- Kháng thuốc: Tế bào ung thư kháng cisplatin
8. Thị trường:
- Thuốc chống ung thư dựa trên Pt: 2 tỷ USD/năm
- Thuốc cản quang MRI: 1.5 tỷ USD/năm
- Tăng trưởng: 8-10%/năm
Kết luận:
Hemoglobin vận chuyển O₂ nhờ liên kết phối trí Fe²⁺-O₂ thuận nghịch. CO độc vì tạo phức bền hơn 200-300 lần, chiếm chỗ O₂. 1g hemoglobin vận chuyển 2 mg O₂. Phức chất đóng vai trò quan trọng trong y học: vận chuyển khí (hemoglobin), vitamin (B₁₂), thuốc chống ung thư (cisplatin), chẩn đoán (Gd-MRI), với thị trường hàng tỷ USD/năm.
Đáp án: a) Đã giải thích; b) CO tạo phức bền hơn 200-300 lần; c) 2 mg hoặc 1.4 ml; d) Đã phân tích chi tiết