Chuyên đề: Phức chất và Hóa học với phát triển bền vững — Lý thuyết và Phương pháp giải

a) Cấu hình electron:

• $\mathrm{Fe\,(Z=26)}$: $1\mathrm{s^2}2\mathrm{s^2}2\mathrm{p^6}3\mathrm{s^2}3\mathrm{p^6}3\mathrm{d^6}4\mathrm{s^2}$ hay $[\mathrm{Ar}]3\mathrm{d^6}4\mathrm{s^2}$.
• $\mathrm{Fe^{2+}}$: $[\mathrm{Ar}]3\mathrm{d^6}$ (nhường $2\text{ electron}$ ở lớp $4\mathrm{s}$).
• $\mathrm{Fe^{3+}}$: $[\mathrm{Ar}]3\mathrm{d^5}$ (cấu hình bán bão hoà $3\mathrm{d}$ bền).
• $\mathrm{Cu\,(Z=29)}$: $[\mathrm{Ar}]3\mathrm{d^{10}}4\mathrm{s^1}$.
• $\mathrm{Cu^{2+}}$: $[\mathrm{Ar}]3\mathrm{d^9}$.

b) Giải thích sự khác biệt màu sắc:

Ion $\mathrm{Cu^{2+}}$ có cấu hình electron $[\mathrm{Ar}]3\mathrm{d^9}$ (phân lớp $3\mathrm{d}$ chưa bão hoà). Khi tạo phức aqua $\mathrm{[Cu(H_2O)_6]^{2+}}$ trong nước, các orbital $3\mathrm{d}$ bị tách mức năng lượng; electron $3\mathrm{d}$ hấp thụ năng lượng ánh sáng ở vùng đỏ - cam và phát ra ánh sáng có màu bổ sung là màu xanh lam.

Trong khi đó ion $\mathrm{Zn^{2+}}\,(Z=30)$ có cấu hình $[\mathrm{Ar}]3\mathrm{d^{10}}$ (phân lớp $3\mathrm{d}$ đã bão hoà hoàn toàn), không có sự chuyển dời electron giữa các orbital $d$ nên không hấp thụ ánh sáng nhìn thấy, dung dịch $\mathrm{ZnSO_4}$ không màu.

a) $\mathrm{[Ag(NH_3)_2]Cl}$:

• Phức cation: $\mathrm{[Ag(NH_3)_2]^+}$, điện tích phức là $+1$.
• Nguyên tử trung tâm: $\mathrm{Ag^+}$, số oxi hoá $+1$.
• Phối tử: phân tử $\mathrm{NH_3}$; Số phối trí: $2$.

b) $\mathrm{K_3[Fe(CN)_6]}$:

• Phức anion: $\mathrm{[Fe(CN)_6]^{3-}}$, điện tích phức là $-3$.
• Nguyên tử trung tâm: $\mathrm{Fe^{3+}}$, số oxi hoá $+3$ (vì $x + 6(-1) = -3 \Rightarrow x = +3$).
• Phối tử: anion $\mathrm{CN^-}$; Số phối trí: $6$.

c) $\mathrm{[Pt(NH_3)_2Cl_2]}$ (Cisplatin):

• Phức trung hoà: $\mathrm{[Pt(NH_3)_2Cl_2]}$, điện tích phức bằng $0$.
• Nguyên tử trung tâm: $\mathrm{Pt^{2+}}$, số oxi hoá $+2$ (vì $x + 2(0) + 2(-1) = 0 \Rightarrow x = +2$).
• Phối tử: $\mathrm{NH_3}$ và $\mathrm{Cl^-}$; Số phối trí: $2 + 2 = 4$.

d) $\mathrm{Na[Al(OH)_4]}$:

• Phức anion: $\mathrm{[Al(OH)_4]^-}$, điện tích phức là $-1$.
• Nguyên tử trung tâm: $\mathrm{Al^{3+}}$, số oxi hoá $+3$.
• Phối tử: anion $\mathrm{OH^-}$; Số phối trí: $4$.

Cơ chế sinh hoá học:

Trong hồng cầu, hemoglobin ($\mathrm{Hb}$) chứa ion $\mathrm{Fe^{2+}}$ đóng vai trò là nguyên tử trung tâm tạo phức phối trí thuận nghịch với phân tử $\mathrm{O_2}$ để tạo oxyhemoglobin ($\mathrm{HbO_2}$):

$$\mathrm{Hb + O_2 \rightleftharpoons HbO_2}$$

Khi hít phải khí $\mathrm{CO}$, phân tử $\mathrm{CO}$ đóng vai trò là phối tử trường mạnh có khả năng tạo liên kết phối trí với $\mathrm{Fe^{2+}}$ tạo thành phức chất carboxyhemoglobin ($\mathrm{HbCO}$):

$$\mathrm{Hb + CO \rightarrow HbCO}$$

Liên kết phối trí giữa $\mathrm{Fe^{2+}}$ và $\mathrm{CO}$ có độ bền gấp khoảng 200 - 250 lần so với liên kết giữa $\mathrm{Fe^{2+}}$ và $\mathrm{O_2}$. Do đó $\mathrm{CO}$ chiếm giữ toàn bộ các vị trí phối trí của $\mathrm{O_2}$, làm mất khả năng vận chuyển oxy của hemoglobin, khiến các mô và não bộ bị ngạt oxy nghiêm trọng dẫn đến hôn mê và tử vong nhanh chóng.

Bước 1: Tính $\%\mathrm{AE}$ của Phản ứng 1 (Điện phân nước)

Tổng khối lượng mol chất phản ứng: $2 \times M_{\mathrm{H_2O}} = 2 \times 18 = 36\text{ g/mol}$.

Khối lượng mol sản phẩm mong muốn: $2 \times M_{\mathrm{H_2}} = 2 \times 2 = 4\text{ g/mol}$.

$$\%\mathrm{AE}_1 = \frac{4}{36} \times 100\% = 11{,}11\%$$

(Nếu khí $\mathrm{O_2}$ sinh ra được thu hồi để phục vụ y tế và công nghiệp thì $\%\mathrm{AE}$ của quá trình đạt $100\%$).

Bước 2: Tính $\%\mathrm{AE}$ của Phản ứng 2 (Kẽm tác dụng $\mathrm{HCl}$)

Tổng khối lượng mol chất phản ứng: $M_{\mathrm{Zn}} + 2 \times M_{\mathrm{HCl}} = 65 + 2 \times 36{,}5 = 138\text{ g/mol}$.

Khối lượng mol sản phẩm mong muốn: $M_{\mathrm{H_2}} = 2\text{ g/mol}$.

$$\%\mathrm{AE}_2 = \frac{2}{138} \times 100\% = 1{,}45\%$$

Bước 3: Đánh giá theo tiêu chuẩn Hoá học xanh

Phương pháp điện phân nước có $\%\mathrm{AE}$ cao hơn hẳn ($11{,}11\%$ so với $1{,}45\%$). Hơn nữa, phương pháp 1 sử dụng nguyên liệu tái tạo dồi dào là nước, sản phẩm phụ là khí $\mathrm{O_2}$ sạch thân thiện với môi trường. Trong khi đó, phương pháp 2 tiêu tốn kim loại kẽm đắt tiền và acid $\mathrm{HCl}$, thải ra lượng lớn muối phụ $\mathrm{ZnCl_2}$ ($136\text{ g/mol}$ bị thải bỏ) gây ô nhiễm nguồn nước.

Kết luận: Phương pháp điện phân nước xanh và bền vững hơn rất nhiều.