Phức chất giúp giải thích màu sắc của ion kim loại chuyển tiếp, sự hòa tan kết tủa, hoạt động xúc tác và nhiều quá trình sinh học. Để học tốt chuyên đề, học sinh cần xác định thành phần, điện tích, số phối trí và gọi tên đúng quy tắc.

Phức chất là gì?

Phức chất chứa tiểu phân phức, trong đó nguyên tử hoặc ion trung tâm liên kết với các phối tử bằng liên kết cho – nhận, còn gọi là liên kết phối trí.

Công thức thường được viết dưới dạng:

[M(L)x]q

Trong đó:

• M là nguyên tử hoặc ion trung tâm, thường là ion kim loại chuyển tiếp.
• L là phối tử.
• x biểu thị số lượng phối tử hoặc số đơn vị phối tử.
• q là điện tích tổng của tiểu phân phức.

Trong [Cu(NH₃)₄]²⁺, Cu²⁺ là ion trung tâm, bốn NH₃ là phối tử và phần trong ngoặc vuông là ion phức. Ion này có thể kết hợp ion trái dấu tạo muối phức như [Cu(NH₃)₄]SO₄.

Phức chất thuộc phạm vi quan trọng của Hóa vô cơ, đặc biệt khi nghiên cứu kim loại chuyển tiếp, phản ứng nhận biết ion và cân bằng trong dung dịch.

Cấu tạo của phức chất

Một phức chất thường gồm cầu nội và cầu ngoại.

Cầu nội

Cầu nội là phần viết trong dấu ngoặc vuông, gồm nguyên tử hoặc ion trung tâm cùng các phối tử liên kết trực tiếp với nó. Ví dụ, trong K₄[Fe(CN)₆], cầu nội là [Fe(CN)₆]⁴⁻.

Cầu ngoại

Cầu ngoại gồm các ion ngoài ngoặc vuông, có nhiệm vụ cân bằng điện tích. Trong K₄[Fe(CN)₆], bốn K⁺ thuộc cầu ngoại. Khi tan:

K₄[Fe(CN)₆] → 4K⁺ + [Fe(CN)₆]⁴⁻

Không nên tách cầu nội thành Fe²⁺ và CN⁻ máy móc vì ion phức có độ bền riêng.

Ion trung tâm và phối tử

Ion trung tâm thường có orbital trống để nhận cặp electron. Các ion như Cu²⁺, Fe²⁺, Fe³⁺, Co²⁺, Co³⁺, Ni²⁺, Ag⁺ và Pt²⁺ thường tạo phức.

Phối tử là ion hoặc phân tử có cặp electron tự do, có thể cho cặp electron đó để tạo liên kết phối trí.

Một số phối tử thường gặp:

• Trung hòa: H₂O, NH₃, CO.
• Mang điện âm: Cl⁻, OH⁻, CN⁻, SCN⁻.
• Một càng: NH₃, H₂O, Cl⁻ liên kết qua một nguyên tử cho.
• Nhiều càng: ethylenediamine, EDTA liên kết tại nhiều vị trí.

Phối tử nhiều càng tạo vòng với kim loại, gọi là chelate, và thường làm phức bền hơn.

Các phân tử chứa nitrogen như amine, amino acid và peptide có cặp electron tự do nên có thể tham gia tạo phức trong điều kiện phù hợp. Học sinh có thể liên hệ với chuyên đề amin, amino acid và peptide.

Số phối trí và hình học của phức chất

Số phối trí là số nguyên tử cho liên kết trực tiếp với nguyên tử hoặc ion trung tâm. Số phối trí không phải lúc nào cũng bằng số phối tử vì một phối tử nhiều càng có thể tạo nhiều liên kết.

Ví dụ:

• [Ag(NH₃)₂]⁺ có số phối trí 2, thường có dạng thẳng.
• [CuCl₄]²⁻ có số phối trí 4, thường được mô tả dạng tứ diện.
• Pt(NH₃)₂Cl₂ có số phối trí 4, dạng vuông phẳng.
• [Fe(CN)₆]⁴⁻ có số phối trí 6, dạng bát diện.

Hình học ảnh hưởng đến màu sắc, từ tính và khả năng phản ứng. Pt(NH₃)₂Cl₂ có đồng phân cis và trans; đồng phân cis là cisplatin, một thuốc chống ung thư.

Xem thêm: Tổng hợp công thức Hóa học 12

Cách xác định điện tích và số oxi hóa

Điện tích của ion phức bằng tổng số oxi hóa của nguyên tử trung tâm và điện tích của các phối tử.

Gọi số oxi hóa của kim loại là x:

x + tổng điện tích phối tử = điện tích ion phức

Ví dụ với [Fe(CN)₆]⁴⁻:

x + 6(−1) = −4

Suy ra x = +2. Vậy ion trung tâm là Fe²⁺.

Với [Co(NH₃)₆]³⁺, NH₃ trung hòa nên:

x + 6(0) = +3

Suy ra cobalt có số oxi hóa +3.

Với [CuCl₄]²⁻:

x + 4(−1) = −2

Suy ra x = +2.

Số oxi hóa được ghi bằng số La Mã trong tên phức nên phải tính trước khi gọi tên.

Cấu tạo phức [Co(NH₃)₆]Cl₃

Bảng phối tử thường gặp trong danh pháp

Cần phân biệt “ammine” trong tên phối tử NH₃ với “amine” là tên nhóm hợp chất hữu cơ chứa nitrogen.

Quy tắc gọi tên phức chất

Khi gọi tên muối phức, gọi cation trước rồi đến anion giống muối thông thường. Bên trong tiểu phân phức, áp dụng trình tự sau:

1. Gọi tên các phối tử trước.
2. Sắp xếp tên phối tử theo thứ tự chữ cái; không dùng tiền tố chỉ số lượng để quyết định thứ tự.
3. Dùng di-, tri-, tetra-, penta-, hexa- để chỉ số phối tử đơn giản.
4. Gọi tên nguyên tử trung tâm sau phối tử.
5. Ghi số oxi hóa của kim loại bằng số La Mã trong ngoặc.
6. Nếu ion phức mang điện âm, tên kim loại thường đổi sang dạng có đuôi “-ate”, chẳng hạn ferrate, cuprate, cobaltate.

Ví dụ gọi tên

[Co(NH₃)₆]Cl₃: hexaamminecobalt(III) chloride.

K₄[Fe(CN)₆]: potassium hexacyanidoferrate(II).

[Cu(NH₃)₄]SO₄: tetraamminecopper(II) sulfate.

Na₂[Zn(OH)₄]: sodium tetrahydroxidozincate(II).

Hãy tính số oxi hóa, nhận diện phức cation hay anion rồi mới quyết định dạng tên kim loại.

Sự hình thành và tính chất của phức chất

Phản ứng tạo phức thường thuận nghịch. Khi thêm dư NH₃ vào dung dịch Cu²⁺, xuất hiện màu xanh đậm:

Cu²⁺ + 4NH₃ ⇌ [Cu(NH₃)₄]²⁺

Kết tủa AgCl tan trong dung dịch NH₃ do tạo phức bạc:

AgCl + 2NH₃ ⇌ [Ag(NH₃)₂]⁺ + Cl⁻

Sự tạo phức làm giảm nồng độ ion kim loại tự do nên có thể làm kết tủa tan hoặc tạo màu mới. Độ bền phụ thuộc ion trung tâm, phối tử, dung môi, nhiệt độ và pH.

Phản ứng màu biuret của peptide và protein cũng dựa trên sự tạo phức màu tím với Cu²⁺ trong môi trường kiềm. Đây là cầu nối giữa hóa học phối trí và hóa học của peptide – protein.

Xem thêm: 100 bài tập Hóa vô cơ

Ứng dụng của phức chất

Trong sinh học và y học

Hemoglobin chứa Fe và vận chuyển oxygen trong máu; chlorophyll chứa Mg, tham gia hấp thụ ánh sáng; vitamin B₁₂ có cấu trúc chứa cobalt. Cisplatin, cis-Pt(NH₃)₂Cl₂, là thuốc hóa trị và chỉ được sử dụng theo chỉ định y khoa.

Các phức chất trong cơ thể có tính chọn lọc cao. Chỉ cần thay đổi ion trung tâm, phối tử hoặc hình học, khả năng liên kết với phân tử sinh học có thể thay đổi rõ rệt. Điều này giải thích vì sao cấu trúc không gian của phức có ý nghĩa lớn trong thiết kế thuốc.

Trong phân tích hóa học

EDTA tạo phức bền với nhiều ion kim loại và được dùng xác định độ cứng của nước. Phản ứng tạo màu giúp nhận biết hoặc định lượng kim loại. [Ag(NH₃)₂]⁺ làm AgCl tan, còn phức ammine của Cu²⁺ có màu xanh đậm.

Trong chuẩn độ tạo phức, chất chỉ thị được lựa chọn để đổi màu gần điểm tương đương. Kết quả phụ thuộc vào pH vì khả năng tạo phức của EDTA và trạng thái tồn tại của ion kim loại thay đổi theo môi trường.

Trong công nghiệp và công nghệ

Phức kim loại được dùng làm chất xúc tác, trong mạ điện, tách kim loại, sắc tố, cảm biến và vật liệu phát quang. Phối tử độc như cyanide phải được kiểm soát nghiêm ngặt.

Trong xúc tác, ion kim loại trung tâm có thể liên kết tạm thời với chất phản ứng, làm yếu liên kết cũ và tạo điều kiện hình thành liên kết mới. Sau phản ứng, chất xúc tác được tái tạo và tiếp tục chu trình.

Xem thêm: 800 câu hỏi trắc nghiệm Hóa học 12 có đáp án

Những lỗi thường gặp

• Nhầm ion trung tâm với ion đối nằm ngoài ngoặc vuông.
• Cho rằng số phối trí luôn bằng số phối tử.
• Quên tính điện tích phối tử khi xác định số oxi hóa kim loại.
• Gọi NH₃ là “amine” thay vì “ammine” trong danh pháp phức.
• Không đổi tên kim loại sang dạng “-ate” khi gọi phức anion.
• Dùng tiền tố di-, tri-, tetra- để sắp xếp thứ tự chữ cái của phối tử.
• Tách hoàn toàn ion phức thành ion trung tâm và phối tử trong mọi phương trình.
• Cho rằng mọi hợp chất có kim loại đều là phức chất.

Cách học và làm bài hiệu quả

Khi gặp công thức phức chất, hãy khoanh phần trong ngoặc vuông rồi thực hiện theo thứ tự:

1. Xác định nguyên tử hoặc ion trung tâm.
2. Nhận diện từng phối tử và điện tích của chúng.
3. Tính điện tích cầu nội nếu chưa được cho trực tiếp.
4. Xác định số oxi hóa của ion trung tâm.
5. Đếm số nguyên tử cho để tìm số phối trí.
6. Xác định phức cation, phức anion hay phức trung hòa.
7. Gọi tên phối tử trước rồi gọi tên kim loại.

Khi viết công thức từ tên, chọn ion trung tâm, đặt số phối tử, tính điện tích cầu nội rồi thêm ion cầu ngoại để hợp chất trung hòa.

Kết luận

Phức chất được tạo bởi nguyên tử hoặc ion trung tâm liên kết với các phối tử cho cặp electron. Những khái niệm cần nắm chắc gồm cầu nội, cầu ngoại, điện tích ion phức, số oxi hóa, số phối trí và hình học.

Danh pháp trở nên dễ xử lý khi thực hiện đúng trình tự: phối tử trước, kim loại sau, ghi số oxi hóa và đổi tên kim loại nếu phức mang điện âm. Kiến thức này còn giải thích nhiều ứng dụng trong sinh học, y học, phân tích và công nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

Phối tử là gì?

Phối tử là ion hoặc phân tử có cặp electron tự do và có khả năng cho cặp electron đó để tạo liên kết phối trí với nguyên tử hoặc ion trung tâm. Phối tử có thể trung hòa như H₂O, NH₃ hoặc mang điện như Cl⁻, CN⁻.

Số phối trí có luôn bằng số phối tử không?

Không. Với phối tử một càng, hai đại lượng thường bằng nhau. Nhưng phối tử nhiều càng liên kết qua nhiều nguyên tử cho nên một phối tử có thể đóng góp hai hoặc nhiều đơn vị vào số phối trí.

Làm sao tính số oxi hóa của kim loại trong phức?

Đặt số oxi hóa kim loại là x, cộng x với tổng điện tích của mọi phối tử rồi cho bằng điện tích ion phức. Giải phương trình thu được x.

Phức chất và muối kép có giống nhau không?

Không. Khi tan, muối kép thường phân li thành các ion đơn giản cấu tạo nên nó. Muối phức phân li thành ion cầu ngoại và ion phức; cầu nội vẫn tồn tại tương đối bền trong dung dịch.