TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA HÓA HỌC
=====***=====

HOÀNG THỊ DƯƠNG

ỨNG DỤNG THUYẾT VB,
TRƯỜNG TINH THỂ GIẢI THÍCH
MỘT SỐ PHỨC CHẤT
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành: Hóa vô cơ

Người hướng dẫn khoa học:
ThS. Hoàng Quang Bắc

HÀ NỘI, 2015


LỜI CẢM ƠN
Sau một thời gian cố gắng tìm tòi, nghiên cứu, khoá luận tốt nghiệp với
đề tài:
“Ứng dụng thuyết VB, trường tinh thể giải thích một số phức chất”
đã được hoàn thành.
Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới ThS. Hoàng Quang Bắc người đã
luôn quan tâm, động viên và tận tình hướng dẫn em trong quá trình thực hiện
khoá luận này.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa hoá học của
trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2 đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho
em trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu.
Nhân dịp này em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình bạn bè đã


: tetraedre (tứ diện)

CSFE

: Năng lượng bền hoá trường tinh thể


DANH MỤC BẢNG HÌNH
BẢNG
Bảng 1.1. Tên của các phối tử ........................................................................... 5
Bảng 1.2.Thông số tách năng lượng trong trường tinh thể ............................. 13
Bảng 1.3. Bước sóng của ánh sáng trông thấy và màu ................................... 14
Bảng 2.1. Một số dạng lai hoá ........................................................................ 17
HÌNH
Hình 1.1. Đồng phân cis-điclorođiammin Platin (II) và đồng phân
trans -điclorođiammin Platin (II) ...................................................... 6
Hình 1.2. Đồng phân cis-điclorotetraammin coban (III) và đồng phân
trans-điclorotetraammincoban (III) .................................................. 7
Hình 1.3. Giản đồ tách năng lượng của phức bát diện .................................... 11
Hình 1.4. Giản đồ tách năng lượng của phức tứ diện ..................................... 12
Hình 2.1. Dạng hình học của ion phức [CoF6]3- ............................................. 20
Hình 2.2. Dạng hình học của ion phức [Co(CN)6]3- ....................................... 22
Hình 2.3. Cấu tạo vuông phẳng của phức chất [NiSe4]2- ................................ 28
Hình 2.4. Cấu tạo vuông phẳng của phức chất trans-[PtCl2(NH3)2(H2O)2]2+ . 29
Hình 2.5. Cấu tạo của phức chất trans-[PtCl2(NH3)2(H2O)2]2+ ....................... 29
Hình 2.6. Cấu tạo của phức Fe(CO)5 .............................................................. 33
Hình 2.7. Cấu tạo của phức [Co2(CO)8] .......................................................... 33
Hình 2.8. Cấu tạo của phức Ni(CO)4 .............................................................. 34
Hình 3.1. Sự biến đối orbitan trong phức bát diện ....................................... 37

3.2. Thông số tách năng lượng ( ký hiệu:= -10Dq ) .................................. 36
3.3. Các yếu tố ảnh hưởng thông số tách ..................................................... 39


3.4. Ảnh hưởng của trường phối tử đến cấu hình electron d của ion
trung tâm ...................................................................................................... 41
3.5. Năng lượng bền hoá bởi trường tinh thể ............................................. 42
3.6. Bài tập ứng dụng thuyết trường tinh thể giải thích phức chất .......... 43
KẾT LUẬN .................................................................................................... 63
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................... 64


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Phức chất là một bộ phận quan trọng của hoá học vô cơ hiện đại. Thật
vậy, phần lớn các hợp chất vô cơ là những phức chất. Trong các giáo trình
hoá vô cơ thường có phần dành riêng hoặc đề cập đến phức chất, việc giải
thích sự hình thành và tồn tại của nhiều hợp chất vô cơ cũng dựa trên cơ sở
các thuyết liên kết trong phức chất
Phức chất ngày càng có nhiều ứng dụng rộng rãi không chỉ trong hoá
học mà còn cả trong các lĩnh vực sản xuất nông nghiệp, công nghiệp, y học,
đời sống…Vì thế, một trong những hướng nghiên cứu của hoá học vô cơ là
phức chất đã được bắt đầu khá sớm và ngày càng phát triển.
Để có thể làm tốt công tác nghiên cứu ứng dụng vào các lĩnh vực trên,
phải có những kiến thức cơ bản về phức chất.
Từ thực tế nói trên, tôi mạnh dạn chọn đề tài:
“Ứng dụng thuyết VB, trường tinh thể giải thích một số phức chất”
nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho các bạn học tập và nghiên cứu .
2. Mục đích, nhiệm vụ của nghiên cứu của đề tài
2.1. Mục đích nghiên cứu

ion tạo phức, nguyên tử tạo phức hay nói chung là hạt tạo phức.
Ví dụ:
Một số phức chất là chất điện ly, khi phân ly thành ion phức: H 2[SiF6];
H[AuCl4] (axit); [Cu(NH3)4](OH)2 (bazơ); K2[HgI4] (muối).
Ngoài ra còn những phức chất không là chất điện ly, không tồn tại những
ion phức: [Pt(NH3)2Cl2]; [Ni(CO)4].
Phần viết trong ngoặc vuông bao gồm hạt tạo phức và các phối tử gọi là
cầu nội hay còn gọi là cầu phối trí.
1.1.2. Cấu tạo phức chất
1.1.2.1. Nguyên tử trung tâm
Chất tạo phức có thể là ion hay nguyên tử và thường được gọi chung là
nguyên tử trung tâm. Phối tử hay ligand là ion ngược dấu hay phân tử trung
hòa điện được phối trí xung quanh nguyên tử trung tâm. Điện tích cầu nội là
tổng điện tích của các ion ở trong cầu nội. Những ion nằm ngoài ngược dấu
với cầu nội tạo nên cầu ngoại.
Ví dụ: Trong phức [Cu(NH3)4](OH)2 cầu nội là [Cu(NH3)4]2+ (gồm ion
Cu2+ và 4 phân tử NH3) và cầu ngoại là 2 ion OH- .
Cầu nội của phức chất có thể là cation (ví dụ: [Cu(NH3)4] 2+, có thể là
anion (ví dụ:[AuCl4], [SiF6]2-), có thể là phân tử trung hòa điện, không phân ly
trong dung dịch (ví dụ: [Ni(CO)4] ).

3


Như vậy hạt tạo phức có thể là ion (Cu2+, Au3+...) hay nguyên tử (Ni, Co...) có
thể là kim loại hay không kim loại (Si).
1.1.2.2. Phối tử
Các phối tử phức thường là các ion F-, Cl-, CN-, ... và các phân tử trung
hòa điện như H2O, NH3, pyridin (C5H5N).
Dựa vào số nguyên tử mà phối tử có thể phối trí quanh hạt tạo phức,

b, Tên phối tử
Nếu phối tử là anion: tên anion +”o”
Bảng 1.1. Tên gọi các phối tử
F-

Floro

S2O32-

Tiosunfato

Cl-

Cloro

C2O42-

Oxalato

Br-

Bromo

CO32-

Cacbonato

I-

Iođo

C2H4: etylen;

C5H5N: pyriđin;

CH3NH2: metylamin…

Một số phân tử trung hoà có tên riêng:
H2O: aqua;

NH3: ammin;

CO: cacbonyl;

NO: nitrozyl

c, Nguyên tử trung tâm và số oxi hóa
Nếu nguyên tử trung tâm ở trong cation phức, người ta lấy tên của
nguyên tử đó kèm theo số La Mã, viết trong dấu ngoặc đơn để chỉ số oxi hóa
khi cần. Ví dụ coban (III), coban (II)...
Nếu nguyên tử trung tâm ở trong anion phức, người ta lấy tên của
nguyên tử đó thêm đuôi at và kèm theo số La Mã viết trong dấu ngoặc đơn để
chỉ số oxi hóa, nếu phức chất là axit thì thay đuôi at bằng ic.

5


d, Ví dụ
Tên gọi một số phức chất:
Cation [Co(NH3)6]Cl3


phối trí, đồng phân ion hóa và đồng phân liên kết.
a, Đồng phân hình học hay đồng phân cis-trans
Trong phức chất, các phối tử có thể chiếm những vị trí khác nhau đối với
nguyên tử trung tâm. Khi phức chất có các loại phối tử khác nhau, nếu hai
phối tử giống nhau ở về cùng một phía đối với nguyên tử trung tâm thì phức
chất là đồng phân dạng cis và nếu hai phối tử giống nhau ở về hai phía đối với
nguyên tử trung tâm thì phức chất đồng phân dạng trans.
Ví dụ: Phức chất hình vuông [Pt(NH3)2Cl2] có hai đồng phân cis và trans

Hình 1.1. Đồng phân cis-điclorođiammin Platin(II) và đồng phân transđiclorođiammin Platin (II)

6


Ion phức bát diện cũng có đồng phân cis và trans.
Ví dụ : [Co(NH3)4Cl2]+

Hình 1.2. Đồng phân cis-điclorotetraammin coban(III) và đồng phân
trans-điclorotetraammincoban(III)
Chú ý: Phức tứ diện không có đồng phân hình học.
b, Đồng phân quang học hay đồng phân gương
Hiện tượng đồng phân quang học sinh ra khi phân tử hay ion không thể
chồng khít lên ảnh của nó ở trong gương. Hai dạng đồng phân quang học
không thể chồng khít lên nhau tương tự vật với ảnh của nó trong gương. Các
đồng phân quang học của một chất có tính chất lí hóa giống nhau trừ phương
làm quay trái hay phải mặt phẳng của ánh sáng phân cực.
Ví dụ:
Cl

Cl

và anion phức.
Ví dụ :

[Co(NH3)6][Cr(CN)6] và [Cr(NH3)6][Co(CN)6]
[Cu(NH3)4][PtCl4] và [Pt(NH3)4][CuCl4]

d, Đồng phân ion hóa
Hiện tượng đồng phân ion hóa sinh ra do sự sắp xếp khác nhau của anion
trong cầu nội và cầu ngoại của phức chất.
Ví dụ: [Co(NH3)5Br]SO4 và [Co(NH3)5SO4]Br
e, Đồng phân liên kết
Hiện tượng đồng phân liên kết sinh ra khi phối tử một càng có khả năng
phối trí qua hai nguyên tử. Ví dụ tùy thuộc vào điều kiện, anion NO2- có thể
phối trí qua nguyên tử N ( liên kết M-NO2) hay qua nguyên tử O (liên kết MONO), anion SCN- có thể phối trí qua nguyên tử S (liên kết M-SCN) hay qua
nguyên tử N (liên kết M-NCS).
Ví dụ: [Co(NH3)5NO2]Cl2 và [Co(NH3)5ONO]Cl2
Nitropentaammin coban (III) clorua và Nitritopentaammin coban (III) clorua
[Mn(CO)5SCN] và [Mn(CO)5NCS]
Tioxianatopentacacbonyl mangan

Isotioxianatopentacacbonyl mangan

1.2. Thuyết VB giải thích liên kết phức chất [8]
1.2.1. Luận điểm
Coi cấu tạo e của nguyên tử vẫn được bảo toàn khi hình thành phân tử.
Khi 2 AO hoá trị của nguyên tử xen phủ nhau tạo liên kết hoá học thì vùng
xen phủ đó là chung cho cả 2 nguyên tử
Mỗi liên kết hoá học giữa 2 nguyên tử được đảm bảo bởi 2e có spin đối
song, không có sự hình thành liên kết bởi 1e hay từ 3e trở lên


K3[Fe(CN)6] lai hoá trong d2sp3

9


Dựa vào kết quả thực nghiệm về quang phổ, người ta sắp xếp dãy các
phối tử theo chiều tăng dần khả năng tạo phức gọi là dãy quang phổ hoá học:
I-< Br- < Cl-< F-< OH-< C2O42- ~ H2O < NCS- < Py ~ NH3 < En ... NO2- < CN1.2.3. Ưu nhược điểm của thuyết VB
Ưu điểm:
Giải thích đơn giản liên kết hình thành và dạng hình học của phức chất.
Giải thích được từ tính của phức chất.
Nhược điểm:
Phương pháp chỉ hạn chế ở cách giải thích định tính.
Không giải thích và tiên đoán các tính chất từ chi tiết của phức chất (ví dụ
sự bất đẳng hướng của độ cảm từ, cộng hưởng thuận từ v.v…).
Không giải thích được năng lượng tương đối của liên kết đối với các cấu
trúc khác nhau và không tính đến việc tách năng lượng của các phân mức d.
Do đó, không cho phép giải thích và tiên đoán về quang phổ hấp thụ của các
phức chất.
1.3. Thuyết trường tinh thể giải thích phức chất [8]
1.3.1. Luận điểm
Liên kết hoá học trong phức chất là lực tương tác tĩnh điện giữa ion
trung tâm và phối tử.
Ion trung tâm (thường là cation kim loại) được nghiên cứu cấu trúc e một
cách chi tiết. Phối tử được coi như những điện tích điểm (nếu là anion) hay
lưỡng cực điểm (nếu là phân tử trung hoà) tạo nên trường có đối xứng xác
định tác dụng lên ion trung tâm.
Các AO d của ion trung tâm ở trạng thái tự do gồm dxy; dxz; dyz; dx2-y2; dz2
có cùng mức năng lượng. Tương tác của ion trung tâm với trường tĩnh điện
của phối tử làm các AO d giảm bậc suy biến, tách thành các mức có năng


t2g
dxy dxz dyz
dz2 dx2-y2

eg

Hình 1.4. Giản đồ tách mức năng lượng của phức tứ diện.

Ví dụ: [Cu(NH3)4]SO4
*Phức vuông phẳng
- Hiện tượng phân chia năng lượng của các AO d phức tạp hơn: AO dx2-y2
gần phối tử hơn nên có năng lượng cao hơn dz2. AO dxy chịu tác dụng trực tiếp
nên có năng lượng hơi cao hơn dxz; dyz
- Như vậy phức vuông phẳng là biến dạng của phức bát diện khi hai
nhóm thế ở vị trí trans trên trục z bị mất đi. Do đó obitan dz2 làm bền hơn
nhiều và obitan dxz; dyz được làm bền thêm một ít còn các obitan dx2-y2; dxy
kém bền hơn so với phức bát diện.
1.3.3. Giải thích một số tính chất của phức:
* Thông số tách năng lượng (  ): Là hiệu năng lượng của obitan d”cao”
với obitan d”thấp”.
- Với phức bát diện: mỗi electron chiếm obitan eg có năng lượng cao hơn
3 / 5o , mỗi electron chiếm obitan t2g có năng lượng thấp hơn 2 / 5o

- Với phức tứ diện: mỗi electron chiếm obitan t2g có năng lượng cao hơn
2 / 5T , mỗi electron chiếm obitan eg có năng lượng thấp hơn 3 / 5T

- Các yếu tố ảnh hưởng tới  :
+ o  T , nếu cùng ion trung tâm và phối tử thì o  9 / 4T


- Nếu P <  thì e được điền đủ cặp vào những AO có năng lượng thấp và
phức có spin thấp.
Vd ion [CoF6]3- và [Co(CN)6]3- được đề cập ở trên.
* Năng lượng bền của phức
ELb là hiệu năng lượng của các electron phân bố ở các obitan d thấp với
các electron ở các obitan d cao:
6 0
Ví dụ: Ion Co2+ trong phức bát diện có cấu hình 𝑡2𝑔
𝑒𝑔 có

ELb = 6.2 / 5o  3/ 5o  9 / 5o
Năng lượng làm bền cao giải thích tính trơ động học của phức chất
spin thấp.
* Hiệu ứng Jan-Telơ
Trạng thái suy biến của một phân tử không thẳng hàng là không bền,
phân tử sẽ biến dạng hình học để giảm tính đối xứng và độ suy biến.

13


* Phổ hấp thụ và màu của phức chất
Một trong những thành tựu nổi bật nhất của thuyết trường tinh thể là giải
thích nguyên nhân sinh ra phô hấp thụ của phức chất các kim loại chuyển tiếp.
Phổ hấp thụ electron của đa số phức chất của nguyên tố d gây nên bởi sự
chuyển dời electron từ obitan d có năng lượng thấp đến obitan d có năng
lượng cao (sự chuyển dời d-d)
Bảng 1.3. Bước sóng của ánh sáng trông thấy và màu
Bước sóng của bức Màu của bức xạ

Màu trông thấy


5000-5600

Lục

Đỏ tía

5600-5750

Lục – vàng

Tím

5750-5900

Vàng

Xanh chàm

5900-6050

Da cam

Lam

6050-7300

Đỏ

Lam

Liên kết hoá học hình thành trong phức chất được thực hiện bởi sự xen
phủ giữa AO chứa cặp e riêng của phối tử với AO lai hoá trống có định hướng
không gian thích hợp của hạt trung tâm.
2.1.1. Một số trường hợp lai hoá
Cấu hình không gian của phức chất phụ thuộc vào dạng lai hoá.
- Lai hoá sp: cấu hình thẳng (Ag+ , Hg2+ )
- Lai hoá sp3: cấu hình tứ diện (Al3+, Zn2+ , Co2+, Fe2+, Ti3+ ...)
- Lai hoá dsp2: cấu hình vuông phẳng (Au3+, Pd2+, Cu2+, Ni2+, Pt2+ ...)
- Lai hoá d2sp3: cấu hình bát diện (Cr3+, Pt4+, Co3+ , Fe3+, Rh3+ ... )
Các obitan muốn lai hoá được với nhau phải năng lượng gần nhau và
phải có cấu hình hình học và sự định hướng của obitan trong không gian.
Các dạng lai hoá và sự phân bố hình học của phối tử trong phức chất xác
định chủ yếu bởi cấu tạo electron của ion trung tâm. Ngoài ra chúng còn phụ
thuộc vào bản chất của các phối tử. Cùng ion kim loại nhưng với những phối
tử khác nhau chúng có thể tạo ra các phức chất khác nhau với các dạng lai hoá
khác nhau, các phức đó có cấu hình không gian và từ tính khác nhau.
VD:
[Fe(H2O)6]Cl3 lai hoá ngoài sp3d2
K3[Fe(CN)6] lai hoá trong d2sp3

16


Bảng 2.1. Một số trường hợp lai hoá
Dạng lai hoá

Dạng hình học

Một số ion trung tâm


- Dãy phối tử được gọi là dãy quang phổ hoá học, những phối tử đứng
trước có trường yếu hơn phối tử đứng sau. Thường những phối tử đứng trước
NH3 gây trường yếu, đứng sau NH3 gây trường mạnh.
2.2. Giải thích phức chất theo thuyết VB
* Giải thích:
 Viết cấu hình lớp ngoài cùng của NTCT: dạng chữ, dạng AO
- Dựa vào bản chất của phối tử.
- Phối tử trường mạnh có sự dồn e ở d → viết lại cấu hình AO d
- Phối tử trường yếu không có sự dồn e ở d.
 Từ số phối trí → số AO lai hóa và cấu hình AO d → dạng lai hóa
- Phức thuận từ hay nghịch từ
- Phức spin cao hay thấp
- Lai hóa ngoài hay lai hóa trong.

17


2.3. Một số bài tập ứng dụng có lời giải
Câu 1:
Dựa vào thuyết VB hãy giải thích sự hình thành phức [Ni(Cl)4]

2-

Hướng dẫn
Ni(28): [Ar] 3d8 4s2
2+

Ni : [Ar]3d8

3d8

4s

4p

Cl-

Cl- Cl- Cl-

↑

Lai hoá sp3

Phức [NiCl4]2- có cấu hình tứ diện đều, thuận từ, spin cao.
Câu 2:
Dựa vào thuyết VB hãy giải thích sự hình thành liên kết trong phức
[Ni(CN)4]2Hướng dẫn

18