Kim loại chuyển tiếp và phức chất: năm bước đọc một ion, từ cấu hình đến phản ứng
Hóa học 12: đọc một ion kim loại chuyển tiếp qua năm bước lõi, ion, phức, đổi, kiểm; bảy phòng lab, mười bốn bẫy và mười sáu bài thực chiến.
LUKATO AI · HÓA HỌC 12 · KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP VÀ PHỨC CHẤT
CẤU HÌNH 3D 4S · SỐ OXI HÓA · PHỐI TỬ · THẾ PHỐI TỬ · CHUẨN ĐỘ
Một ion, năm bước đọc:
lõi , ion , phức ,
đổi và kiểm
Dung dịch copper(II) sulfate xanh lam hóa vàng lục khi nhỏ HCl đặc; kết tủa trắng của silver chloride tan khi nhỏ ammonia; thuốc tím mất màu khi gặp muối sắt(II). Nghe như ba chuyện rời nhau, nhưng cả ba đều đọc được bằng một thói quen : nhìn vào lõi electron của kim loại, rồi xem nó đang là ion nào, đang đứng trong phức nào, đang đổi bạn đồng hành nào, và cuối cùng kiểm xem số oxi hóa có đổi hay không. Chuyên đề này dạy thói quen ấy trong năm bước, mỗi bước có phòng lab để em tự tay dựng lại hiện tượng.
- 1. Lõi: nguyên tố chuyển tiếp dãy thứ nhất có 3d và 4s gần nhau, nên có nhiều số oxi hóa; cation nhường 4s trước
- 2. Phức: điện tích phức = số oxi hóa trung tâm + tổng điện tích phối tử; số phối trí = số liên kết \sigma
- 3. Kiểm: thế phối tử giữ nguyên số oxi hóa; số oxi hóa đổi thì đó là oxi hóa khử
5 bước
lõi, ion, phức, đổi, kiểm
7 phòng lab
cấu hình, chuẩn độ, dựng phức, càng, ống nghiệm, cạnh tranh, phân loại
16 bài
đủ ba dạng câu hỏi; bài trả lời ngắn giải theo bốn ô
01
Bản đồ chuyên đề
Năm bước đọc một ion kim loại chuyển tiếp: lõi, ion, phức, đổi, kiểm
Chương kim loại chuyển tiếp và phức chất thường được kể thành từng mẩu: cấu hình electron, màu của ion, phức chất, kết tủa rồi tan, chuẩn độ bằng thuốc tím, thế phối tử. Học sinh học thuộc từng mẩu nên đề chỉ cần đổi bối cảnh là lạc đường. Thật ra hầu hết các câu hỏi trong chương đều xoay quanh một nguyên tử kim loại và những gì xảy ra với nó: nó nhường mấy electron ( lõi và ion ), nó đứng giữa những phối tử nào ( phức ), phối tử quanh nó có bị thay không ( đổi ), và sau cùng chính nó có đổi số oxi hóa hay không ( kiểm ). Biết đặt đúng năm câu hỏi theo đúng thứ tự thì phần lớn bài của chương trở thành việc đếm electron, đếm liên kết và so số oxi hóa.
Năm bước trên một đường: lõi (cấu hình 3d và 4s, Mục 2), ion (số oxi hóa, màu, tính oxi hóa khử, Mục 3), phức (phối tử, số phối trí, điện tích, hình học, Mục 4 và 5), đổi (kết tủa, hòa tan, thế phối tử, độ bền, Mục 6 và 7), kiểm (số oxi hóa có đổi không, Mục 8). Hai làn phía dưới là hai kiểu phản ứng cần phân biệt.
Ba câu hỏi lớn của chương
Câu hỏi 1
Ion này có mấy electron ở 3d?
Cấu hình [\text{Ar}]3d^{a}4s^{b} cho biết số electron hóa trị, số electron độc thân và vì sao kim loại chuyển tiếp có nhiều số oxi hóa. Cation nhường electron 4s trước rồi mới đến 3d.
Câu hỏi 2
Xung quanh nó có những phối tử nào?
Phối tử mang cặp electron riêng cho nguyên tử trung tâm. Số liên kết cho nhận là số phối trí ; điện tích của phức là tổng của số oxi hóa trung tâm và điện tích các phối tử.
Câu hỏi 3
Phản ứng này đổi cái gì?
Hoặc đổi phối tử (số oxi hóa kim loại giữ nguyên: kết tủa, hòa tan, đổi màu, thế phối tử), hoặc đổi số oxi hóa (có electron chuyển đi: chuẩn độ, oxi hóa khử). Nhận ra điều này là bước kiểm cuối cùng.
Tám câu hỏi quen thuộc của đề và bước để trả lời
Câu hỏi đề đặt ra
Bước trong khung
Dấu hiệu nhận ra
Mục
Cấu hình electron của nguyên tử hoặc ion là gì, có mấy electron độc thân?
Lõi: điền 4s rồi 3d; cation bỏ 4s trước
«cấu hình», «độc thân», «electron hóa trị»
Số oxi hóa cao nhất, ion có tính oxi hóa hay tính khử?
Ion: đếm electron hóa trị, xem số oxi hóa trung gian
«số oxi hóa cao nhất», «thuốc tím», «màu»
Chuẩn độ muối sắt(II) bằng \text{KMnO}_4 thì tính nồng độ ra sao?
Ion: tỉ lệ 5 : 1, hệ số pha loãng
«định mức», «thể tích trung bình», «môi trường acid»
Công thức, điện tích, số phối trí và hình học của phức?
Phức: đếm phối tử, cộng điện tích
«phối tử», «trung tâm», «bát diện», «tứ diện»
Phối tử đa càng, đồng phân, vai trò sinh học?
Phức: đếm càng, đếm liên kết \sigma
«en», «EDTA», «cis», «trans», «hemoglobin»
Nhỏ thuốc thử vào thì kết tủa gì, dư thì tan không?
Đổi: thuốc thử thế phối tử nào, phức mới tan hay không
«ammonia dư», «kết tủa tan», «màu xanh thẫm»
Phản ứng thế phối tử có xảy ra không, phức nào bền hơn?
Đổi: so hằng số bền, xét cân bằng
«bền hơn», «K», «\Delta_{r}H», «giấy cobalt»
Đây là thế phối tử hay oxi hóa khử?
Kiểm: tính số oxi hóa kim loại trước và sau
«không phải phản ứng thế phối tử», «số oxi hóa»
Vì sao quy về một nguyên tử trung tâm thì ít sai hơn
Khi mỗi dạng bài có một mẹo riêng, em phải nhớ «đồng thì thế này, sắt thì thế kia» và sẽ hụt hơi khi gặp kim loại lạ. Khi có khung, câu hỏi đầu tiên giống nhau: kim loại ấy đang ở số oxi hóa nào, đứng giữa những phối tử nào . Dung dịch copper(II) sulfate đổi sang vàng lục khi thêm HCl đặc là ví dụ: đồng vẫn là +2, chỉ phối tử đổi từ nước sang chloride, nên đó là «đổi», không phải «oxi hóa khử». Hai bước cuối (đổi và kiểm) nhờ vậy đều kết thúc bằng một phép tính số oxi hóa, thay vì một cảm giác về màu sắc.
Năm bước chung cho các bài về kim loại chuyển tiếp
BƯỚC 1 · LÕI Điền electron vào 4s rồi 3d; ngoại lệ Cr, Cu; cation bỏ 4s trước.
BƯỚC 2 · ION Số oxi hóa, màu, tính oxi hóa hay khử; chuẩn độ theo tỉ lệ mol.
BƯỚC 3 · PHỨC Phối tử, số phối trí, điện tích phức, hình học.
BƯỚC 4 · ĐỔI Kết tủa, hòa tan, đổi màu, thế phối tử, phức nào bền hơn.
BƯỚC 5 · KIỂM Số oxi hóa kim loại có đổi không? Không đổi: thế phối tử; đổi: oxi hóa khử.
Quy ước dùng suốt chuyên đề
Dãy kim loại chuyển tiếp thứ nhất gồm chín nguyên tố từ Sc đến Cu ; Zn không thuộc dãy trong bài học. Lưu ý quy ước: một số sách giáo khoa và sách bài tập tính cả Zn (mười nguyên tố, từ Sc đến Zn); chuyên đề này lấy tiêu chí «tạo được ion có phân lớp d chưa đầy», nên chỉ tính chín nguyên tố từ Sc đến Cu. Bài 1 và bẫy 1 dựa vào quy ước này Công thức phức viết trong ngoặc vuông: [\text{M}(\text{L})_{n}]^{q}, M là nguyên tử trung tâm, L là phối tử, q là điện tích phức Phối tử nước viết \text{OH}_{2} trong phức aqua, ví dụ [\text{Cu}(\text{OH}_{2})_{6}]^{2+} Khối lượng mol nguyên tử lấy: H 1; C 12; N 14; O 16; F 19; S 32; Cl 35,5; K 39; Mn 55; Fe 56; Co 59; Ni 58,7; Cu 64; Zn 65; Ag 108; Pt 195; Au 197 (đề cho số khác thì dùng số của đề) Số oxi hóa viết +2, +3, +7; điện tích ion viết ở góc trên, ví dụ \text{Fe}^{3+} thập phân viết dấu phẩy: 1{,}5 Gọi tên: nguyên tố và ion có tên Việt quen thuộc thì dùng tên Việt (sắt, đồng, kẽm, nhôm, bạc, vàng, mangan); các nguyên tố còn lại dùng tên quốc tế (scandium, titanium, vanadium, chromium, cobalt, nickel, platinum); hợp chất gọi theo danh pháp quốc tế như trong đề bài (copper(II) sulfate, sodium hydroxide, potassium permanganate; «thuốc tím» là tên thường gọi của potassium permanganate)
Đoán trước khi tính
Dung dịch copper(II) sulfate màu xanh lam. Thêm dần HCl đặc thì dung dịch chuyển sang màu vàng lục, rồi vàng khi HCl dư nhiều. Kết luận nào về đồng là đúng?
Mẹo nhớ: đừng hỏi «màu đổi thì có phản ứng gì», hãy hỏi « số oxi hóa của kim loại trước và sau là bao nhiêu ».
Thử tay: đi hết năm bước với phức [\text{CoCl}_{2}(\text{NH}_{3})_{4}]^{+}
Phức chất [\text{CoCl}_{2}(\text{NH}_{3})_{4}]^{+} có nguyên tử trung tâm là cobalt. Hãy cho biết số oxi hóa của Co, số phối trí, hình học (biết đây là phức bát diện) và số electron ở phân lớp 3d của ion Co trong phức.
Gợi ý 1 · Đếm phối tử và điện tích
Có hai phối tử \text{Cl}^{-} (mỗi phối tử mang -1) và bốn phân tử \text{NH}_{3} (trung hòa). Điện tích phức là +1. Điện tích phức bằng số oxi hóa của Co cộng tổng điện tích phối tử.
Gợi ý 2 · Lõi của ion
Co có Z=27, cấu hình nguyên tử [\text{Ar}]3d^{7}4s^{2}. Ion có số oxi hóa vừa tìm được nhường electron 4s trước, rồi mới đến 3d.
Đáp án
Gọi số oxi hóa của Co là x: x+2\cdot(-1)+4\cdot0=+1, nên x=+3. Số phối trí là 2+4=6 liên kết \sigma: phức bát diện . Ion \text{Co}^{3+} nhường 2 electron 4s và 1 electron 3d: cấu hình [\text{Ar}]3d^{6}, tức 6 electron ở 3d . Kiểm: hai đường tính (qua điện tích phức, qua cấu hình) đều dùng cùng số oxi hóa +3, và +3-2=+1 đúng điện tích phức.
02
Bước 1 · Lõi
Lõi của nguyên tử: 3d và 4s đứng gần nhau, và 4s nhường electron trước
Sau argon, mỗi nguyên tố ở chu kì 4 thêm một electron. Hai nguyên tố đầu, K và Ca, điền vào 4s. Từ scandium trở đi, electron mới không vào 4s nữa mà vào phân lớp 3d nằm bên trong. Một dãy chín nguyên tố nối tiếp nhau, từ Sc đến Cu, cùng đang «lấp đầy 3d»: đó là dãy kim loại chuyển tiếp thứ nhất . Vì 3d và 4s có mức năng lượng rất gần nhau nên nguyên tử có thể dùng electron của cả hai phân lớp để tạo liên kết, và đó là gốc của hầu hết đặc điểm riêng của dãy: nhiều số oxi hóa, hợp chất có màu, khả năng tạo phức. Mục này dạy bước đầu tiên của khung: đọc lõi, tức viết cấu hình, đếm electron hóa trị, đếm electron độc thân và biết cation lấy electron từ đâu.
Vuốt ngang để xem toàn bộ hình.
Dãy Sc đến Zn. Số electron ở 3d tăng dần, số electron hóa trị (3d và 4s cộng lại) tăng từ 3 đến 12. Hai ô viền vàng (Cr và Cu) là hai ngoại lệ của quy tắc «4s có hai electron». Zn (3d đầy, chỉ tạo ion \text{Zn}^{2+}) nằm ngoài dãy trong bài học.
Nguyên tố nào thuộc dãy, và vì sao Zn không thuộc
Định nghĩa dùng trong chương trình: nguyên tố chuyển tiếp là nguyên tố mà nguyên tử hoặc ion bền của nó có phân lớp d chưa đầy electron . Với Sc đến Cu, điều đó đúng: Sc có 3d^{1}, đến Ni có 3d^{8}, và Cu dù nguyên tử có 3d^{10} vẫn thuộc dãy vì ion thường gặp \text{Cu}^{2+} có 3d^{9} (chưa đầy). Zn thì khác: nguyên tử 3d^{10}4s^{2} và ion thường gặp \text{Zn}^{2+} là 3d^{10}, 3d đầy ở cả hai . Vì vậy Zn nằm ở nhóm IIB nhưng bài học không xếp vào dãy chuyển tiếp.
Một hệ quả: câu «phân lớp 3d của nguyên tử kim loại chuyển tiếp dãy thứ nhất đều chưa bão hòa» là sai , vì nguyên tử Cu có 3d^{10} (bão hòa); và câu «mọi nguyên tố nhóm B chu kì 4 đều thuộc dãy» cũng sai vì còn Zn.
Bẫy 1 · Nhóm B chu kì 4 và «kim loại nặng»
Hai chỗ hay trượt khi đề hỏi về phạm vi của dãy. (1) «Nhóm B, chu kì 4» có mười nguyên tố, từ Sc đến Zn, nhưng dãy chuyển tiếp thứ nhất chỉ có chín, không có Zn . (2) Tất cả chín nguyên tố đều là kim loại, nhưng không đều là kim loại nặng: nếu chọn ngưỡng 5\ \text{g/cm}^{3} để gọi là «nặng» thì Sc (\approx 3{,}0) và Ti (\approx 4{,}5) không nặng. Câu «tất cả đều là kim loại» thì đúng, còn «đều nặng» thì sai vì có ngoại lệ. Cách tránh: gặp chữ «tất cả», «đều», hãy thử tìm một nguyên tố phản chứng (Zn, Sc, Cu) rồi mới chốt.
Cách điền electron và hai ngoại lệ
Quy tắc
Điền 4s rồi 3d
Cấu hình nguyên tử điền theo thứ tự [\text{Ar}]\,4s\,3d: 4s nhận 2 electron, phần còn lại vào 3d. Ví dụ Fe (Z=26): [\text{Ar}]3d^{6}4s^{2}. Số electron hóa trị (3d cộng 4s) bằng 8.
Hai ngoại lệ
Cr và Cu có 4s chỉ một electron
Cr là [\text{Ar}]3d^{5}4s^{1} chứ không phải 3d^{4}4s^{2}; Cu là [\text{Ar}]3d^{10}4s^{1} chứ không phải 3d^{9}4s^{2}. Hai cấu hình này (3d nửa đầy và 3d đầy) bền hơn, đề cho sẵn hoặc yêu cầu thuộc.
Cation
Nhường 4s trước
Khi tạo cation, nguyên tử nhường electron ở 4s trước , rồi mới đến 3d. \text{Fe}^{2+}: [\text{Ar}]3d^{6}; \text{Fe}^{3+}: [\text{Ar}]3d^{5}. Không phải «mất 3d trước vì 3d ngoài cùng».
Electron độc thân: đếm bằng quy tắc Hund
Năm ô orbital 3d nhận electron theo quy tắc Hund: mỗi ô nhận một electron (cùng chiều) trước, đủ năm ô rồi mới ghép đôi. Do đó với 3d^{n}: nếu n\le5 thì có n electron độc thân, nếu n>5 thì có 10-n. Electron ở 4s đếm thêm 1 nếu 4s chỉ có một electron (Cr, Cu); 4s đã đủ đôi thì không cho electron độc thân.
Hạt
Cấu hình
Độc thân
Ghi chú
\text{Cr}
[\text{Ar}]3d^{5}4s^{1}
3d nửa đầy cộng 4s một electron
\text{Cr}^{3+}
[\text{Ar}]3d^{3}
lấy 4s rồi hai electron 3d
\text{Mn}^{2+}
[\text{Ar}]3d^{5}
nửa đầy, nhiều độc thân
\text{Fe}^{2+}
[\text{Ar}]3d^{6}
một ô ghép đôi
\text{Fe}^{3+}
[\text{Ar}]3d^{5}
nửa đầy, bền hơn \text{Fe}^{2+}
\text{Co}^{2+}
[\text{Ar}]3d^{7}
hai ô ghép đôi
\text{Ni}^{2+}
[\text{Ar}]3d^{8}
ba ô ghép đôi
\text{Cu}^{+}
[\text{Ar}]3d^{10}
3d đầy
\text{Cu}^{2+}
[\text{Ar}]3d^{9}
lấy 4s rồi một electron 3d
\text{Zn}^{2+}
[\text{Ar}]3d^{10}
3d đầy, không màu
Bẫy 2 · Viết cấu hình cation bằng cách bỏ 3d trước
Em hay gặp hai lỗi cùng một họ. (1) Quên hai ngoại lệ: nghe «cấu hình Cr» liền viết 3d^{4}4s^{2}, trong khi đúng là 3d^{5}4s^{1}; Cu cũng vậy (3d^{10}4s^{1}). (2) Viết cấu hình ion theo kiểu «Fe có 3d^{6}4s^{2}, mất 3 electron thì 3d^{3}4s^{2}», tức bỏ electron 3d trước. Sai vì electron 4s bị lấy trước : \text{Fe}^{3+} là 3d^{5}. Hệ quả hay gặp trong đề: «ion M^{3+} có 5 electron độc thân, hợp chất M(II) phản ứng với thuốc tím» chỉ khớp với Fe (\text{Fe}^{3+} có 3d^{5}), không khớp với Mn (\text{Mn}^{3+} có 3d^{4}). Cách tránh: viết cấu hình nguyên tử trước, lấy 4s ra trước, rồi mới lấy 3d.