Đang tải bài học…

AP Chemistry

ion phức

complex ion

Còn gọi: complex · phức chất

Ion phức là ion mang điện tích, gồm một ion kim loại trung tâm liên kết với các phối tử bằng liên kết cộng hóa trị phối trí.

Ion phức là một thực thể mang điện tích, được tạo thành từ một ion kim loại trung tâm liên kết với một hoặc nhiều phối tử (ligand) thông qua liên kết cộng hóa trị phối trí (coordinate covalent bond). Trong cấu trúc này, ion kim loại đóng vai trò là axit Lewis — chất nhận cặp êlectron (electron) — còn mỗi phối tử hoạt động như một bazơ Lewis, hiến một cặp êlectron chưa liên kết để tạo liên kết. Do đó, liên kết giữa kim loại và phối tử khác với liên kết cộng hóa trị thông thường ở chỗ cả hai êlectron đều xuất phát từ một phía.

Vì các phối tử bao quanh ion trung tâm bằng những liên kết như vậy, điện tích của ion phức bằng tổng đại số điện tích của ion kim loại và tất cả phối tử. Chẳng hạn, ion $[\text{Cu}(\text{NH}_3)_4]^{2+}$ gồm một ion $\text{Cu}^{2+}$ và bốn phân tử $\text{NH}_3$ trung hòa, nên điện tích tổng là $+2$ . Ngược lại, ion $[\text{Fe}(\text{CN})_6]^{4-}$ mang điện tích $-4$ vì sáu phối tử $\text{CN}^-$ góp tổng điện tích $-6$ vào ion $\text{Fe}^{2+}$ . Nhờ cách tính này, thí sinh có thể xác định điện tích của bất kỳ ion phức nào khi biết thành phần.

Nhờ khả năng tạo phức với các phối tử mạnh, nhiều chất rắn vốn ít tan trong nước lại hòa tan đáng kể khi có mặt tác nhân tạo phức. Hiện tượng này liên hệ trực tiếp với cân bằng hòa tan (solubility equilibrium), vì sự tạo phức làm giảm nồng độ ion kim loại tự do, kéo cân bằng dịch chuyển theo chiều thuận. Tuy nhiên, mức độ tạo phức phụ thuộc vào hằng số tạo thành $K_f$ — hằng số này càng lớn thì ion phức càng bền và khả năng làm tăng độ tan càng rõ rệt.

Ký hiệu

• $[\text{M}(\text{L})_n]^{m+}$
• $K_f$

Trực giác: Hãy tưởng tượng ion kim loại như một người chủ nhà ngồi ghế trung tâm, còn các phối tử như khách mời đến bắt tay — mỗi cái bắt tay là một liên kết mà khách tự hiến cặp electron của mình.

Công thức

K_f = \frac{\htmlClass{fp-0}{[\text{ML}_x^{n+}]}}{\htmlClass{fp-1}{[\text{M}^{n+}]}\htmlClass{fp-2}{[\text{L}]^x}}

Dùng để viết biểu thức hằng số tạo phức (formation constant) khi ion kim loại kết hợp với phối tử trong dung dịch. $K_f$ càng lớn thì ion phức càng bền.

Trong đó

K_f

hằng số tạo phức (formation constant) của ion phức

\text{M}^{n+}

ion kim loại trung tâm có điện tích

n+

\text{L}

phối tử (ligand) — phân tử hoặc ion cho cặp electron

x

số phối trí (coordination number) — số phối tử gắn vào ion kim loại

Khái niệm này sinh ra từ đâu

1893B. M. TassaertAlfred WernerHans BetheJohn Van Vleck

Ion phức là sản phẩm của ngành hóa học phối trí, khởi nguồn từ quan sát của nhà hóa học người Pháp B. M. Tassaert năm 1798 và được giải thích trọn vẹn nhờ thuyết phối trí do Alfred Werner đề xuất năm 1893.

Thử nghiệm tương tác

Xoay khối bát diện — đếm sáu cặp electron chĩa vào Fe³⁺

Hay hiểu sai

Ion phức không phải lúc nào cũng mang điện tích dương.

Số phối trí không phải là điện tích của ion phức.

Thêm $\mathrm{SCN}^-$ vào hệ cân bằng làm dung dịch ĐẬM màu hơn, không nhạt đi.

Phối tử phải có cặp electron chưa liên kết, và nó cho electron qua đúng một nguyên tử.

Mẹo phòng thi

Ví dụ có lời giải

1Ví dụ 1/2

Trộn dung dịch chứa

\text{Fe}^{3+}

(không màu) với dung dịch chứa

\text{SCN}^-

(không màu) thì thu được dung dịch màu đỏ đậm do cân bằng

\text{Fe}^{3+}(aq) + \text{SCN}^-(aq) \rightleftharpoons \text{FeSCN}^{2+}(aq)

, với

K_c = 1.4 \times 10^{2}

ở

25\ ^\circ\text{C}

. Một học sinh trộn hai thể tích bằng nhau sao cho ngay sau khi trộn, nồng độ ban đầu của cả hai ion đều bằng

1.0 \times 10^{-3}\ \text{M}

và chưa có phản ứng xảy ra.

aGiải thích vì sao chỉ khi trộn hai dung dịch thì màu đỏ mới xuất hiện, dựa trên bản chất của tiểu phân tạo thành.
bTính nồng độ của $\text{Fe}^{3+}$ , $\text{SCN}^-$ và $\text{FeSCN}^{2+}$ lúc cân bằng.
cThêm vài giọt dung dịch $\text{AgNO}_3$ vào hỗn hợp cân bằng, biết $\text{AgSCN}$ là chất rắn ít tan. Dự đoán sự thay đổi màu và giải thích.

Bạn nắm chắc chưa?

Quiz câu thật từ ngân hàng đề

Vài câu thật gắn đúng khái niệm này, chấm ngay kèm giải thích từng đáp án — hệ thống ghi nhớ bạn nắm tới đâu.

Tạo tài khoản miễn phí

Học tiếp từ đây

Bài học chứa thuật ngữ nàyCấu trúc phân tử & ion · bài “Các loại liên kết hóa học” — khoá AP Chemistry

Cần trướcliên kết cộng hoá trị cho nhận (sắp có)phối tử

Hay nhầm với

Thuật ngữKhác nhau ở đâuHay nhầm khi

ion đa nguyên tử (polyatomic ion)polyatomic ion

Khác nhau ở đâuIon phức có kim loại trung tâm liên kết với phối tử bằng liên kết cho nhận. Ion đa nguyên tử chỉ là nhóm nguyên tử mang điện tích, không cần kim loại hay liên kết cho nhận.

Hay nhầm khiĐề cho công thức như [Cu(NH₃)₄]²⁺ rồi hỏi đây là ion phức hay ion đa nguyên tử thường gặp như SO₄²⁻

Nguồn tham khảo

[1]Chemistry The Central Science in SI Units 15th Expanded Global Edition. tr. 19, 796, 847.

n

điện tích của ion kim loại trung tâm

\htmlClass{fp-2}{K} = \htmlClass{fp-0}{K_{sp}} \times \htmlClass{fp-1}{K_f}

Dùng khi tính độ tan của một chất ít tan trong dung dịch có chứa phối tử tạo phức. Nhờ $K_f$ lớn, cân bằng tan dịch phải mạnh hơn nhiều so với chỉ dựa vào $K_{sp}$ .

Trong đó

K

hằng số cân bằng tổng cộng cho quá trình tan kèm tạo phức

K_{sp}

tích số tan (solubility-product constant) của chất rắn ít tan

K_f

hằng số tạo phức (formation constant) của ion phức

Suốt nhiều thế kỷ, các nhà hóa học bối rối trước hiện tượng những chất tưởng như không tan lại biến mất khi thêm một thuốc thử nào đó, chẳng hạn kết tủa trắng bạc clorua tan đi trong amoniac dư. Năm 1798, Tassaert ghi nhận coban clorua trộn với amoniac cho một dung dịch có màu và bền lạ thường — một trong những hợp chất phối trí (coordination compound) đầu tiên được mô tả. Những quan sát ấy gợi ý rằng ion kim loại trong dung dịch không chỉ trôi nổi tự do mà còn kết hợp với phân tử khác để tạo tiểu phân mới, làm thay đổi hẳn quy luật độ tan. Đến năm 1893, Werner đề xuất rằng ion kim loại có hóa trị chính ứng với số oxi hóa và hóa trị phụ (secondary valence) ứng với số phối trí, nhờ đó giải thích được vì sao các phối tử (ligand) như amoniac gắn trực tiếp vào tâm kim loại. Công trình này mang về cho ông giải Nobel năm 1913.

Vì sao mang đúng cái tên này? Chữ "phức" trong tên gọi bắt nguồn từ cách dùng ban đầu của từ complex trong hóa học: nó chỉ sự kết hợp thuận nghịch giữa các phân tử, nguyên tử hoặc ion thông qua những liên kết yếu, tức một tập hợp "rắc rối" chưa rõ bản chất chứ không phải một phân tử thông thường. Cái tên vì thế phản ánh đúng tình trạng hiểu biết của thời kỳ đó, khi người ta biết chất mới đã hình thành nhưng chưa lý giải nổi kiểu liên kết bên trong. Tuy nhiên, ý nghĩa ấy đã tiến hóa: ngày nay nhiều phức kim loại hình thành gần như không thuận nghịch và được giữ bằng những liên kết rất bền, nên chữ "phức" chỉ còn là dấu vết lịch sử của một thời bối rối. Phần lý giải sâu hơn về màu sắc và từ tính của chúng phải chờ đến thuyết trường tinh thể (crystal field theory) mà Bethe giới thiệu năm 1929 và Van Vleck phát triển tiếp.

Xoay khối bát diện — đếm sáu cặp electron chĩa vào Fe³⁺

Kéo tham số, thấy khái niệm chuyển động — mở khoá bằng tài khoản 0đ.

Tạo tài khoản miễn phí

Khi FRQ hỏi về sự đổi màu, phải viết cả chiều dịch chuyển lẫn hiện tượng quan sát được.

Hằng số tạo phức thường rất lớn, nên hãy cho phản ứng chạy hết trước rồi mới tính ngược.

Nhớ liên hệ ion phức với độ tan khi đề nhắc tới $\mathrm{NH_3}$ dư hoặc $\mathrm{CN}^-$ dư.

Tần suất trong đề AP ChemistryThường xuyên

Bước 1: Ý (a):

\text{Fe}^{3+}

trong nước tồn tại dưới dạng ion kim loại được các phân tử nước bao quanh, còn

\text{SCN}^-

là một anion độc lập; cả hai đều hấp thụ rất yếu trong vùng ánh sáng nhìn thấy nên dung dịch riêng lẻ không màu. Khi trộn,

\text{SCN}^-

đóng vai trò phối tử (ligand): nó dùng cặp electron chưa liên kết trên nguyên tử nitrogen để tạo liên kết cho–nhận với ion trung tâm

\text{Fe}^{3+}

. Sản phẩm

\text{FeSCN}^{2+}

là một tiểu phân mới có mức năng lượng electron khác hẳn ion ban đầu, hấp thụ mạnh ánh sáng lục–lam nên dung dịch hiện màu đỏ. Vì vậy màu đỏ chính là bằng chứng trực tiếp cho sự hình thành ion phức, chứ không phải chỉ là sự pha trộn hai dung dịch.

2Bước 2: Ý (b): lập bảng ICE. Gọi

x

là nồng độ

\text{FeSCN}^{2+}

tạo thành lúc cân bằng, khi đó

[\text{Fe}^{3+}] = [\text{SCN}^-] = 1.0 \times 10^{-3} - x

. Biểu thức cân bằng là

K_c = \frac{x}{(1.0 \times 10^{-3} - x)^2} = 1.4 \times 10^{2}.

Công thức này nói rằng tỉ số giữa nồng độ ion phức và tích nồng độ hai ion còn tự do luôn cố định ở nhiệt độ đã cho.

3Bước 3: Vì

K_c

khá lớn so với nồng độ ban đầu rất nhỏ, không được phép bỏ qua

x

; phải giải phương trình bậc hai. Đặt

a = 1.0 \times 10^{-3} - x

thì

x = 1.0 \times 10^{-3} - a

, thay vào ta có

140a^2 + a - 1.0 \times 10^{-3} = 0

. Nghiệm dương là

a = \frac{-1 + \sqrt{1 + 4(140)(1.0 \times 10^{-3})}}{2(140)} = \frac{-1 + \sqrt{1.56}}{280} = 8.9 \times 10^{-4}.

Vậy

[\text{Fe}^{3+}] = [\text{SCN}^-] = 8.9 \times 10^{-4}\ \text{M}

và

[\text{FeSCN}^{2+}] = 1.0 \times 10^{-3} - 8.9 \times 10^{-4} = 1.1 \times 10^{-4}\ \text{M}

4Bước 4: Kiểm tra lại bằng cách thay ngược vào biểu thức:

\frac{1.1 \times 10^{-4}}{(8.9 \times 10^{-4})^2} \approx \frac{1.11 \times 10^{-4}}{7.9 \times 10^{-7}} \approx 1.4 \times 10^{2}

, đúng bằng

K_c

đề cho. Kết quả cũng hợp lý về mặt định tính: chỉ khoảng

11\%

lượng

\text{Fe}^{3+}

ban đầu chuyển thành ion phức, nhưng vì

\text{FeSCN}^{2+}

hấp thụ ánh sáng rất mạnh nên một nồng độ cỡ

10^{-4}\ \text{M}

đã đủ cho màu đỏ rõ.

5Bước 5: Ý (c):

\text{Ag}^+

kết hợp với

\text{SCN}^-

tạo kết tủa theo

\text{Ag}^+(aq) + \text{SCN}^-(aq) \rightarrow \text{AgSCN}(s)

, làm giảm nồng độ

\text{SCN}^-

tự do trong dung dịch. Theo nguyên lý chuyển dịch cân bằng, hệ phản ứng lại bằng cách chuyển dịch sang trái để bù phần

\text{SCN}^-

đã mất, tức là

\text{FeSCN}^{2+}

bị phân hủy trở lại thành ion tự do. Do đó màu đỏ nhạt dần, đồng thời xuất hiện kết tủa trắng. Cách kiểm tra bằng số là so sánh thương số phản ứng: ngay sau khi thêm

\text{Ag}^+

thì mẫu số trong biểu thức trên giảm, làm

Q > K_c

, và hệ chỉ trở lại cân bằng khi tử số (nồng độ ion phức) giảm xuống.

Màu đỏ của hỗn hợp là do ion phức $\text{FeSCN}^{2+}$ sinh ra khi $\text{SCN}^-$ tạo liên kết cho–nhận với ion trung tâm $\text{Fe}^{3+}$ , chứ không phải do bất kỳ ion nào có sẵn. Ở cân bằng, nồng độ các tiểu phân lần lượt là $[\text{Fe}^{3+}] = [\text{SCN}^-] = 8.9 \times 10^{-4}\ \text{M}$ và $[\text{FeSCN}^{2+}] = 1.1 \times 10^{-4}\ \text{M}$ . Khi thêm $\text{AgNO}_3$ , phần $\text{SCN}^-$ bị giữ lại trong kết tủa $\text{AgSCN}$ nên cân bằng chuyển dịch về phía các ion tự do và màu đỏ nhạt đi — một minh chứng cho thấy ion phức là một tiểu phân ở trạng thái cân bằng động, có thể hình thành hoặc phân hủy tùy điều kiện.

2Ví dụ 2/2

Bạc chloride

\text{AgCl}

tan rất kém trong nước với

K_{sp} = 1.8 \times 10^{-10}

, nhưng lại tan đáng kể trong dung dịch ammonia nhờ phản ứng tạo ion phức

\text{Ag}(\text{NH}_3)_2^+

có hằng số tạo phức (formation constant)

K_f = 1.7 \times 10^{7}

. Một mẫu

\text{AgCl}

rắn dư được lắc với

1.00\ \text{L}

dung dịch

\text{NH}_3

0.10\ \text{M}

ở

25\ ^\circ\text{C}

cho tới khi đạt cân bằng.

aViết phương trình tổng cộng của quá trình hòa tan và tính hằng số cân bằng $K$ của nó.
bTính độ tan mol của $\text{AgCl}$ trong dung dịch ammonia này và so sánh với độ tan trong nước nguyên chất.

1Bước 1: Ý (a): quá trình gồm hai cân bằng nối tiếp,

\text{AgCl}(s) \rightleftharpoons \text{Ag}^+(aq) + \text{Cl}^-(aq)

với

K_{sp}

, và

\text{Ag}^+(aq) + 2\,\text{NH}_3(aq) \rightleftharpoons \text{Ag}(\text{NH}_3)_2^+(aq)

với

K_f

. Cộng hai phương trình lại,

\text{Ag}^+

triệt tiêu và ta được

\text{AgCl}(s) + 2\,\text{NH}_3(aq) \rightleftharpoons \text{Ag}(\text{NH}_3)_2^+(aq) + \text{Cl}^-(aq).

Khi cộng phương trình thì hằng số nhân với nhau, nên

K = K_{sp} \times K_f = (1.8 \times 10^{-10})(1.7 \times 10^{7}) = 3.1 \times 10^{-3}

2Bước 2: Giá trị

K = 3.1 \times 10^{-3}

tuy nhỏ hơn 1 nhưng lớn hơn

K_{sp}

tới bảy bậc độ lớn. Điều đó cho thấy ammonia không làm thay đổi bản chất chất rắn, mà chỉ "bắt giữ"

\text{Ag}^+

vừa tan ra vào trong ion phức, khiến nồng độ

\text{Ag}^+

tự do luôn ở mức cực thấp. Vì tích

[\text{Ag}^+][\text{Cl}^-]

khó đạt tới

K_{sp}

, chất rắn phải tiếp tục tan thêm.

3Bước 3: Ý (b): gọi

s

là số mol

\text{AgCl}

tan trong

1.00\ \text{L}

, khi đó

[\text{Ag}(\text{NH}_3)_2^+] = [\text{Cl}^-] = s

và

[\text{NH}_3] = 0.10 - 2s

vì mỗi ion phức tiêu thụ hai phân tử ammonia. Thay vào biểu thức cân bằng:

K = \frac{s^2}{(0.10 - 2s)^2} = 3.1 \times 10^{-3}.

Vế trái là một bình phương hoàn chỉnh nên có thể lấy căn hai vế thay vì giải phương trình bậc hai.

4Bước 4: Lấy căn:

\frac{s}{0.10 - 2s} = \sqrt{3.1 \times 10^{-3}} = 5.5 \times 10^{-2}

. Suy ra

s = 5.5 \times 10^{-3} - 0.11s

, tức

1.11s = 5.5 \times 10^{-3}

và

s = 5.0 \times 10^{-3}\ \text{M}

. Kiểm tra:

[\text{NH}_3]

còn lại là

0.10 - 2(5.0 \times 10^{-3}) = 0.090\ \text{M}

, và

\frac{(5.0 \times 10^{-3})^2}{(0.090)^2} = 3.1 \times 10^{-3}

, khớp với

K

đã tính.

5Bước 5: Trong nước nguyên chất, độ tan là

s_0 = \sqrt{K_{sp}} = \sqrt{1.8 \times 10^{-10}} = 1.3 \times 10^{-5}\ \text{M}

. So sánh hai giá trị,

\frac{5.0 \times 10^{-3}}{1.3 \times 10^{-5}} \approx 3.7 \times 10^{2}

, nghĩa là ammonia làm độ tan tăng gần bốn trăm lần. Đây chính là lý do trong phân tích định tính người ta dùng ammonia để tách

\text{AgCl}

ra khỏi những kết tủa chloride không tạo phức.

Phản ứng tổng cộng là $\text{AgCl}(s) + 2\,\text{NH}_3(aq) \rightleftharpoons \text{Ag}(\text{NH}_3)_2^+(aq) + \text{Cl}^-(aq)$ với $K = K_{sp} K_f = 3.1 \times 10^{-3}$ , và độ tan của $\text{AgCl}$ trong $\text{NH}_3$ $0.10\ \text{M}$ là $5.0 \times 10^{-3}\ \text{M}$ , gấp khoảng $370$ lần độ tan $1.3 \times 10^{-5}\ \text{M}$ trong nước nguyên chất. Kết quả khẳng định vai trò then chốt của ion phức trong bài toán độ tan: mỗi khi trong dung dịch có mặt một phối tử đủ mạnh, ion kim loại tự do bị giữ lại trong phức và cân bằng hòa tan buộc phải chuyển dịch theo chiều làm tan thêm chất rắn.

Dẫn tớichuẩn độ

Liên quanphức chelate (sắp có)EDTA (sắp có)

Mục tiêu và lộ trình unit xem miễn phí — làm bài tập và lưu tiến độ cần tài khoản 0đ.