Tag Archives: hóa học cơ bản

ĐẠI CƯƠNG THUYẾT TRƯỜNG TINH THỂ

Phùng Trung Hùng – Nguyễn Phước Long

Khó có thể giải thích được quang phổ, từ tính, cấu trúc và hoạt tính hóa học của các hợp chất kim loại bằng một mô hình lý thuyết đơn lẻ nào. Tuy nhiên, người ta thường dùng thuyết trường tinh thể để giải thích vì tính đơn giản và dễ hiểu của nó. Trong thuyết trường tinh thể (và cả thuyết MO), sự tương tác giữa ion kim loại và các phối tử là lực tĩnh điện. Ion kim loại (cation) liên kết với các phối tử tích điện hoặc không tích điện xung quanh có tính phân bố đối xứng rất cao trong không gian. Ví dụ, một hợp chất phức có số phối trí là 6 thì nghĩa là trong hợp chất đó, ion kim loại liên kết với 6 phối tử xung quanh và có hình dạng lưỡng tháp tam giác. Tương tự cho một phức chất có số phối trí là 4 thì sẽ có dạng vuông phẳng,…

Hình 3.1: Một vài hình dạng phổ biến của phức chất.

Từ đây ta có 3 đặc điểm cơ bản của thuyết trường tinh thể là:

–          Phức chất vô cơ bền là nhờ lực tương tác tĩnh điện giữa ion kim loại trung tâm với các phối tử của nó. Ở cấu hình cân bằng, phức chất được ổn định bởi sự cân bằng giữa lực hút và lực đẩy của các ion/lưỡng cực.

–          Các phối tử được xem là không có hình dạng trong phức chất mà có vai trò tạo nên một trường tĩnh điện bên ngoài, nghĩa là người ta chỉ kể tới sự quan trọng của ion kim loại trung tâm mà thôi.

–          Phức chất đa diện và mỗi phối tử tạo nên một đỉnh.

Trường tinh thể bát diện

Cột kim loại chuyển tiếp đầu tiên bắt đầu bằng nguyên tố scandium (Sc), cột thứ 2 với Ytrium (Y) và cột thứ 3 với lathanum (La). Chúng là các nguyên tố có 1 electron điền vào orbital 3d, 4d, và 5d một cách tuần tự. Các ion kim loại chuyển tiếp và cấu hình electron ở các trạng thái oxi hóa sẽ được thể hiện ở các hình dưới đây. Thuyết trường tinh thể tập trung ở sự thay đổi năng lượng của orbital d khi có sự tương tác giữa ion kim loại và các phối tử.

Hình 3.2: Ion kim loại chuyển tiếp và cấu hình electron của nó ở các trạng thái oxi hóa khác nhau.

Sự sắp xếp trong không gian của 5 orbital d được mô tả trong hình dưới đây. Cần nhớ rằng, nếu một ion kim loại không liên kết với phối tử, 5 orbital d có năng lượng như nhau.

Hình 3.3: 5 orbital d và sự phân bố của nó trong không gian.

Khi orbital d có electron, bề mặt khối cầu sẽ tích điện tích âm và vì vậy mức năng lượng của orbital d sẽ tăng lên, trở nên kém bền vững hơn so với orbital d của ion kim loại tự do. Bước tiếp theo là sự suy biến năng lượng, nghĩa là có 3 orbital sẽ chiếm mức năng lượng thấp và 2 orbital sẽ có mức năng lượng cao hơn do chịu tác dụng của hiệu ứng trường tinh thể. Tuy nhiên, phức chất bát diện với 5 orbital d bị suy biến như hình vẽ dưới đây chỉ là trường hợp giả định. Trên thực tế, khi có mặt phối tử và trường điện tích của nó thì mức độ bội của quá trình suy biến sẽ giảm đi. Sự đẩy tĩnh điện giữa các orbital d và các phối tử âm điện sẽ làm tăng năng lượng khi các orbital d nào hướng đến các phối tử và làm giảm năng lượng đối với các orbital d nào hướng giữa các phối tử.

Hình 3.4: Mô tả các tiến trình vừa mô tả ở trên. Cần nhớ là t2g để chỉ 3 orbital suy biến còn eg để chỉ 2 orbital suy biến.

Ví dụ: Xét trường hợp đơn giản nhất sau đây, khi ion trung tâm phức chất bát diện chỉ có 1 electron d ngoài lớp vỏ kín. Ở đây ta xét phức chất [Ti(H2O)6]3+, [TiF6]3-,…

Đọc toàn bộ bài viết tại đây.