Bài 28. Sơ lược về 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
Dạng 1: Bài toán cấu tạo và danh pháp phức chất
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
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: Bài toán phản ứng tạo và phân hủy phức
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
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: Bài toán thực tế - Phức chất trong y học và công nghiệp
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
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
Luyện tập trắc nghiệm
1 / 22Phức chất là hợp chất chứa: