Cho phản ứng tạo phức: Cu2+ + 4 NH3 ⇌ [Cu(NH3)4]2+ với hằng số ổn định β4 = 2,6·10^13. Ban đầu có 1,0·10^-3 M Cu2+ và thêm NH3 dư đến nồng độ tổng là 0,10 M (giả sử không đệm pH). a) Tính nồng độ [Cu2+...

a) Để tính nồng độ [Cu²⁺] tự do ở trạng thái cân bằng và phần trăm Cu²⁺ kết hợp vào phức, ta sử dụng phương trình cân bằng và hằng số ổn định β₄: Phương trình cân bằng là: Cu²⁺ + 4 NH₃ ⇌ [Cu(NH₃)₄]²⁺ Hằng số ổn định β₄ được định nghĩa như sau: \[ \beta_4 = \frac{[\text{Cu(NH}_3\text{)}_4]^{2+}}{[\text{Cu}^{2+}][\text{NH}_3]^4} \] Ban đầu, nồng độ Cu²⁺ là 1,0·10⁻³ M và nồng độ NH₃ tổng là 0,10 M. Gọi x là nồng độ Cu²⁺ phản ứng để tạo thành phức: - Ở trạng thái cân bằng: \[ [Cu^{2+}] = 1,0·10^{-3} - x \] \[ [Cu(NH_3)_4]^{2+} = x \] \[ [NH_3] = 0,10 - 4x \] Thay vào phương trình hằng số ổn định: \[ \beta_4 = \frac{x}{(1,0·10^{-3} - x)(0,10 - 4x)^4} = 2,6·10^{13} \] Do β₄ rất lớn, nên có thể giả thiết x gần bằng 1,0·10⁻³ M và [NH₃] không thay đổi nhiều. Ta tính x gần đúng như sau: \[ \beta_4 \approx \frac{x}{(1,0·10^{-3})(0,10)^4} \] \[ 2,6·10^{13} = \frac{x}{(1,0·10^{-3})(1·10^{-4})} \] \[ x = 2,6·10^{13} \cdot (1,0·10^{-3})(1·10^{-4}) = 2,6·10^{6} \cdot 10^{-7} = 2,6 \cdot 10^{-1} \text{ M} \] Vì giá trị này không hợp lý, ta cần phải quay lại tìm x một cách chính xác hơn. Do đó, ta có thể dự đoán rằng gần như toàn bộ Cu²⁺ sẽ tạo phức. Giả sử tất cả Cu²⁺ kết hợp thành phức: \[ \text{Phần trăm Cu}^{2+} \text{ kết hợp vào phức} = \frac{x}{1,0·10^{-3}} \cdot 100 \approx 100\% \] Thực tế, từ phương trình đã đưa ra, ta sẽ có nồng độ Cu²⁺ tự do ở trạng thái cân bằng gần như bằng 0. b) Hình dạng hình học của [Cu(NH₃)₄]²⁺ là hình vuông (square planar). Điều này được giải thích bởi số phối trí của Cu²⁺ là 4, thường dẫn đến cấu trúc hình vuông trong các phức chất với các ligand mạnh như NH₃. Cấu trúc tinh thể học/điện tử của ion Cu²⁺ (d⁹) có khả năng tạo ra các orbital p và d tương tác tốt nhất với các ligand xung quanh tạo thành một cấu trúc ổn định hơn, phù hợp với hình vuông. c) Nếu thay NH₃ bằng một ligand mạnh hơn như CN⁻, thì β sẽ tăng lên, vì CN⁻ là một ligand tạo phức mạnh hơn NH₃. Điều này có nghĩa là phức chất sẽ bền hơn và Cu²⁺ sẽ dễ dàng hơn trong việc tạo ra phức với CN⁻. Bền vững hơn của phức cũng có thể dẫn đến sự giảm nồng độ Cu²⁺ tự do hơn nữa trong dung dịch, dẫn đến việc tạo thành phức chất mạnh mẽ hơn và ổn định hơn trong môi trường hóa học.