Hợp chất vô cơ được phân chia thành những nhóm nào?
Trong thế kỷ XX, các phương pháp điều chế và nghiên cứu hợp chất vô cơ đã được cải thiện đáng kể. Nhiều phương pháp mới được phát triển dựa trên việc sử dụng áp suất cao, áp suất thấp, nhiệt độ, điện, từ trường, trường hấp dẫn và bức xạ ion hóa.
Số lượng nguyên tố hóa học đã đạt tới 114, trong khi số lượng hợp chất vô cơ lên đến hàng trăm nghìn. Nhiều nhóm và dạng hợp chất mới đã được phát hiện, mà vào giữa thế kỷ XIX người ta chưa hề biết đến sự tồn tại của chúng.
1. Phức chất
Đối với những nhóm và dạng hợp chất vô cơ nào không thể áp dụng khái niệm hóa trị đơn giản?
Phân tích định lượng hóa học và các định luật cơ bản đã cho phép xác định chính xác thành phần của nhiều hợp chất. Tuy nhiên, ngay cả vào cuối thế kỷ XIX, vẫn có nhiều hợp chất vô cơ mà thành phần của chúng không thể xác định rõ ràng bằng các phương pháp này.
Thuyết hóa trị đã đạt nhiều thành công trong hóa học hữu cơ, nhưng trong hóa học vô cơ lại gặp khó khăn, đặc biệt khi nghiên cứu các hợp chất không được tạo trực tiếp từ nguyên tố mà từ các thành phần phức tạp hơn như oxit, hidroxit, muối,… Những hợp chất này được gọi là hợp chất phối hợp hay hợp chất phức.
Lịch sử hóa học không xác định được chính xác thời điểm đầu tiên tổng hợp hợp chất phức. Từ lâu, các nhà khoa học đã chú ý đến nhiều phản ứng có khả năng tạo thành phức.
Ngay từ thế kỷ XIX, nhà giả kim Ả Rập Jabir đã phát hiện hỗn hợp axit nitric và axit clohidric có thể hòa tan vàng. Hỗn hợp này được gọi là nước cường toan, có khả năng hòa tan “vua của các kim loại”. Quá trình này liên quan đến sự hình thành các hợp chất phức bền của vàng, mặc dù thành phần của chúng chỉ được xác định sau hàng trăm năm.
Năm 1597, nhà hóa học và bác sĩ người Đức Libavius nhận thấy dung dịch đồng sunfat chuyển sang màu xanh đậm khi tác dụng với amoniac. Đây là do sự tạo thành ion phức [Cu(NH₃)₄]²⁺, có thể kết tinh thành [Cu(NH₃)₄]SO₄·H₂O.
Nhà hóa học Đức Johann Glauber cũng nghiên cứu hiện tượng này. Năm 1648, ông phát hiện bạc clorua ít tan có thể hòa tan trong dung dịch amoniac. Hiện tượng này được giải thích bằng sự hình thành phức [Ag(NH₃)₂]Cl.
Năm 1772, nhà hóa học Thụy Điển Carl Scheele phát hiện vàng hòa tan trong dung dịch xyanua dư, tạo thành phức K[Au(CN)₂].
Việc nhà hóa học người Pháp Tassaert điều chế được hợp chất chứa coban bằng cách cho khí amoniac tác dụng với dung dịch coban clorua được xem là bước khởi đầu quan trọng trong nghiên cứu hợp chất phức. Tuy nhiên, các nhà khoa học thời đó không thể giải thích cấu trúc của hợp chất này bằng thuyết hóa trị thông thường.
Chỉ đến cuối thế kỷ XIX, nhà hóa học Alfred Werner mới giải thích được cấu trúc của các hợp chất phức như [Co(NH₃)₆]Cl₃.
Trong giai đoạn 1891–1893, Werner xây dựng thuyết phối trí, cho rằng kim loại có hai loại hóa trị:
- Hóa trị chính (tạo hợp chất đơn giản như oxit, muối)
- Hóa trị phụ (liên kết với các phân tử như NH₃, H₂O để tạo hợp chất phức)
Theo đó, các phân tử như amoniac hoặc nước có thể phối trí với ion kim loại tạo thành các hợp chất phức như amoniacat, hydrat,…
Ban đầu, thuyết Werner bị xem là giả thuyết mang tính nhân tạo. Tuy nhiên, dần dần nó đã chứng minh được khả năng giải thích cấu trúc của nhiều hợp chất phức. Năm 1913, Werner được trao giải Nobel Hóa học, và lý thuyết của ông vẫn được sử dụng đến ngày nay.
Nhà hóa học Nga Chugaev đã ủng hộ và phát triển các ý tưởng của Werner. Ông cùng các học trò nghiên cứu sự bền vững của hợp chất phức và chỉ ra rằng các phức vòng 5 hoặc 6 cạnh thường bền nhất.
Nhà hóa học Nga Ilya Ilyich Chernyaev (1893–1966) đã nghiên cứu cơ chế phản ứng của hợp chất phức và phát hiện hiệu ứng trans (hiệu ứng Chernyaev), giải thích quy luật thay thế trong các phản ứng của phức chất. Ông cũng đề xuất các phương pháp công nghiệp để điều chế osmium, bạch kim và rutheni.
Ngày nay, phần lớn hóa học vô cơ hiện đại liên quan đến hợp chất phức. Đối với mỗi hợp chất đơn giản, có thể tồn tại hàng trăm hợp chất phức tương ứng. Khoa học, công nghệ và y học hiện đại không thể phát triển nếu thiếu các hợp chất này.
Trong tự nhiên, các hợp chất phức đóng vai trò quan trọng trong sinh giới. Ví dụ:
- Diệp lục (phức của magiê)
- Hemoglobin (phức của sắt)
Ngoài ra, nhiều vitamin và enzym cũng thuộc nhóm hợp chất phức.
2. Hợp chất khí hiếm
Khí hiếm có thể có những số oxi hóa nào?
Ngay sau khi được phát hiện, các nguyên tố nhóm VIIIA trong bảng tuần hoàn được gọi là khí hiếm, vì người ta cho rằng chúng không tham gia phản ứng hóa học. Điều này là do cấu hình electron bền vững của lớp vỏ ngoài cùng.
Tuy nhiên, vào những năm 1960, nhà hóa học vô cơ người Mỹ Neil Bartlett (sinh năm 1932) đã phát hiện rằng oxy có thể bị oxi hóa bởi hexafluoroplatin. Nhận thấy sự tương đồng giữa oxy và xenon, ông đã thử nghiệm và vào năm 1962 đã tổng hợp được hợp chất đầu tiên của khí hiếm: xenon hexafluoroplatinat.
Sau đó, hóa học khí hiếm phát triển nhanh chóng. Trong năm 1962, nhiều hợp chất xenon florua đã được tổng hợp như XeF₂, XeF₄, XeF₆. Các phản ứng này sử dụng flo làm chất oxi hóa, kết hợp với nhiệt, ánh sáng hoặc các phương pháp kích hoạt khác.
Các florua của xenon tương đối bền, không chỉ ở nhiệt độ phòng mà còn khi đun nóng nhẹ.
Năm 1963, hợp chất KrF₂ của krypton được tổng hợp. Radon cũng có thể tạo hợp chất florua, nhưng do tính phóng xạ nên ít được nghiên cứu.
Ngược lại, các nguyên tố như heli, neon và argon hầu như không tạo hợp chất. Với oxy, xenon tạo được các oxit, axit và muối.
Hiện nay, khoảng 100 hợp chất của khí hiếm đã được biết đến, trong đó khoảng một phần ba được tổng hợp tại Nga. Nhiều hợp chất của xenon và krypton được sử dụng làm chất oxi hóa mạnh.
Câu hỏi:
- Năm 1933, Linus Pauling đã dự đoán khả năng tạo hợp chất của xenon. Vì sao ý tưởng này lúc đó chưa được kiểm chứng bằng thực nghiệm?
- Khí hiếm gần với nguyên tố nào hơn: kim loại hay phi kim?