Liên Kết Phối Trí: Khái Niệm, Ví Dụ và Ứng Dụng Trong Hóa Học

Liên kết phối trí, hay còn gọi là liên kết cộng hóa trị phối hợp, là một dạng liên kết hóa học đặc biệt. Trong đó, một nguyên tử (hoặc phân tử) cung cấp cả hai electron để hình thành liên kết, thay vì mỗi nguyên tử đóng góp một electron như trong liên kết cộng hóa trị thông thường.

Trong liên kết cộng hóa trị thông thường, mỗi nguyên tử tham gia liên kết đóng góp một electron. Ngược lại, trong liên kết phối trí, nguyên tử cung cấp cặp electron được gọi là nguyên tử hiến (donor), còn nguyên tử nhận cặp electron được gọi là nguyên tử nhận (acceptor) (Clark, 2012).

Liên kết phối trí thường được biểu diễn bằng một mũi tên, chỉ từ nguyên tử hiến đến nguyên tử nhận (Hình 1). Nguyên tử hiến có thể là một phân tử, trong đó một nguyên tử trong phân tử đó cho cặp electron. Lúc này, phân tử cho electron đóng vai trò là bazơ Lewis, còn phân tử nhận electron đóng vai trò là axit Lewis (Phối hợp liên kết hóa trị, S.F.).

Liên kết phối trí có nhiều đặc điểm tương đồng với liên kết cộng hóa trị thông thường. Các hợp chất chứa liên kết này thường có điểm nóng chảy và điểm sôi thấp. Do tương tác coulombic giữa các nguyên tử không đáng kể (khác với liên kết ion), các hợp chất này thường dễ tan trong dung môi phân cực như nước (Atkins, 2017).

Ví Dụ Về Liên Kết Cộng Hóa Trị Phối Hợp

Ví dụ điển hình nhất về liên kết phối trí là sự hình thành ion amoni (NH₄⁺) khi một phân tử amoniac (NH₃) kết hợp với một proton (H⁺) từ một axit.

Trong phân tử amoniac, nguyên tử nitơ (N) còn một cặp electron tự do sau khi đã đạt được cấu hình octet bền vững. Nguyên tử nitơ này sẽ hiến cặp electron tự do đó cho ion hydro (H⁺), đóng vai trò là nguyên tử hiến. Ion hydro, với khả năng nhận cặp electron, đóng vai trò là nguyên tử nhận (Schiller, S.F.).

Một ví dụ khác là sự hình thành ion hydronium (H₃O⁺). Tương tự như ion amoni, cặp electron tự do của phân tử nước (H₂O) đóng vai trò là nguyên tử hiến, cung cấp electron cho proton (H⁺), đóng vai trò là nguyên tử nhận (Hình 2).

Tuy nhiên, cần lưu ý rằng sau khi liên kết phối trí đã được hình thành, tất cả các nguyên tử hydro liên kết với oxy trong ion hydronium trở nên hoàn toàn tương đương. Khi một ion hydro bị tách ra, không có sự khác biệt giữa các nguyên tử hydro.

Một ví dụ khác về phản ứng axit-bazơ Lewis, minh họa rõ sự hình thành liên kết cộng hóa trị phối trí, là phản ứng giữa triflorua boron (BF₃) và amoniac (NH₃).

Trifluoride boron là một hợp chất mà nguyên tử boron (B) không có cấu hình khí hiếm. Boron chỉ có 3 cặp electron trong lớp vỏ hóa trị, nên BF₃ được xem là “thiếu electron”.

Cặp electron không chia sẻ của nguyên tử nitơ trong amoniac có thể được sử dụng để bù đắp sự thiếu hụt này, tạo thành một hợp chất có liên kết phối trí.

Cặp electron của nitơ được hiến cho orbital p trống của boron. Trong phản ứng này, amoniac đóng vai trò là bazơ Lewis, và BF₃ đóng vai trò là axit Lewis.

Ứng Dụng Của Liên Kết Phối Trí Trong Hóa Học Phối Hợp

Hóa học phối hợp là một nhánh của hóa học vô cơ chuyên nghiên cứu các hợp chất được hình thành từ kim loại chuyển tiếp. Các kim loại này liên kết với các nguyên tử hoặc phân tử khác thông qua liên kết phối trí để tạo thành các phân tử phức tạp.

Những phân tử này được gọi là hợp chất phối hợp (coordination compounds), và lĩnh vực nghiên cứu chúng được gọi là hóa học phối hợp (coordination chemistry).

Trong hợp chất phối hợp, các phân tử hoặc ion liên kết với kim loại trung tâm (nguyên tử nhận) được gọi là phối tử (ligands), đóng vai trò là nguyên tử hiến electron. Các hợp chất phối trí thường được gọi là phức chất (complexes).

Các hợp chất phối hợp có mặt trong nhiều chất quan trọng như vitamin B12, hemoglobin (huyết sắc tố), chlorophyll (diệp lục), thuốc nhuộm, pigment và chất xúc tác được sử dụng trong điều chế các hợp chất hữu cơ (Jack Halpern, 2014).

Một ví dụ về ion phức là phức coban 2+, chẳng hạn như dichloroaminetylen diamine coban (IV).

Hóa học phối hợp bắt nguồn từ công trình của Alfred Werner, một nhà hóa học người Thụy Sĩ đã nghiên cứu các hợp chất khác nhau của coban clorua (III) và amoniac. Khi thêm axit hydrochloric, Werner nhận thấy rằng amoniac không thể bị loại bỏ hoàn toàn. Ông suy luận rằng amoniac phải liên kết chặt chẽ hơn với ion coban trung tâm.

Tuy nhiên, khi thêm dung dịch bạc nitrat, một trong những sản phẩm được tạo thành là bạc clorua rắn. Lượng bạc clorua hình thành có liên quan đến số lượng phân tử amoniac liên kết với coban clorua (III).

Ví dụ, khi bạc nitrat được thêm vào CoCl₃ · 6NH₃, ba ion clorua (Cl⁻) tạo thành bạc clorua (AgCl). Tuy nhiên, khi bạc nitrat được thêm vào CoCl₃ · 5NH₃, chỉ có 2 trong số 3 ion clorua tạo thành bạc clorua. Tương tự, khi xử lý CoCl₃ · 4NH₃ với bạc nitrat, chỉ một trong ba ion clorua kết tủa thành bạc clorua.

Các kết quả này cho thấy sự hình thành các hợp chất phức tạp hoặc phối hợp. Các phối tử liên kết trực tiếp với kim loại trung tâm tạo thành cầu phối hợp bên trong (inner coordination sphere), đôi khi còn được gọi là cầu thứ nhất (first sphere).

Các ion khác liên kết với ion phức, tạo thành cầu phối hợp bên ngoài (outer coordination sphere), đôi khi còn được gọi là cầu thứ hai (second sphere). Werner đã được trao giải Nobel năm 1913 cho lý thuyết phối hợp của mình (Giới thiệu về Hóa học phối hợp, 2017).

Lý thuyết phối hợp của Werner đưa ra khái niệm về hai loại hóa trị của kim loại chuyển tiếp: hóa trị thứ nhất (primary valence), tương ứng với số oxy hóa của kim loại, và hóa trị thứ hai (secondary valence), tương ứng với số phối trí.

Số oxy hóa cho biết số liên kết cộng hóa trị mà kim loại có thể hình thành (ví dụ, sắt (II) tạo thành FeO), còn số phối trí cho biết số liên kết phối trí mà kim loại có thể tạo thành trong phức chất (ví dụ, sắt có số phối trí 4 tạo ra [FeCl₄]²⁻ và [Fe(CN)₆]⁴⁻) (Hợp chất phối hợp, 2017).

Trong trường hợp coban, số phối trí thường là 6. Đó là lý do tại sao trong các thí nghiệm của Werner, khi thêm bạc nitrat, lượng bạc clorua thu được luôn tương ứng với số lượng ion clorua không nằm trong cầu phối hợp bên trong của coban.

Một đặc tính quan trọng của các hợp chất phối hợp là màu sắc của chúng. Các liên kết phối trí chịu trách nhiệm cho màu sắc đặc trưng của nhiều kim loại (ví dụ, sắt có màu đỏ, coban có màu xanh), và đóng vai trò quan trọng trong các kỹ thuật hấp thụ quang phổ và phát xạ nguyên tử (Skodje, S.F.).

Tài liệu tham khảo