Language
Country/Area
No result found
Phát hiện mang tính cách mạng của Bill Brum: Ông đã xác định hằng số ổn định như thế nào?
Trong hóa học phối hợp, hằng số ổn định (còn được gọi là hằng số hình thành hoặc hằng số liên kết) là hằng số cân bằng cho sự hình thành phức chất trong dung dịch. Nó đo cường độ tương tác giữa các chất phản ứng để tạo thành phức chất. Các phức này chủ yếu bao gồm các hợp chất được hình thành bởi các ion kim loại và phối tử, cũng như các phức siêu phân tử, chẳng hạn như phức chất chủ-khách và phức hợp anion. Hằng số ổn định cung cấp thông tin cần thiết để tính toán nồng độ của phức chất trong dung dịch và có ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực bao gồm hóa học, sinh học và y học.
Bối cảnh lịch sử
Năm 1941, Jannik Bjerrum đã phát triển phương pháp chung đầu tiên để xác định hằng số ổn định của phức kim loại-amino. Sự tiến bộ này xảy ra tương đối gần đây, vì Alfred Werner đã đề xuất cấu trúc hợp chất phối hợp chính xác gần 50 năm trước. Chìa khóa trong phương pháp của Bilrum là việc sử dụng các điện cực thủy tinh và máy đo pH mới được phát triển, có thể dùng để đo nồng độ các ion hydro trong dung dịch. Ông nhận ra rằng quá trình các ion kim loại và phối tử tạo thành phức kim loại thực chất là sự cân bằng axit-bazơ: có sự cạnh tranh giữa các ion kim loại (Mn+) và ion hydro (H+), dẫn đến sự tồn tại của hai trạng thái cân bằng cùng một lúc.
"Bilrum theo dõi nồng độ ion hydro bằng cách thêm từng giọt axit kiềm vào hỗn hợp và sử dụng hằng số phân ly axit của HL để xác định hằng số ổn định của ML."
Sau đó Bilrum bắt đầu xác định các hằng số ổn định cho nhiều phức chất có thể được hình thành. Trong hai thập kỷ tiếp theo, số lượng hằng số ổn định tăng gần như theo cấp số nhân và các mối liên hệ được khám phá bao gồm cả chuỗi Irving-Williams. Việc tính toán vào thời điểm đó chủ yếu được thực hiện bằng tay, dựa vào cái gọi là phương pháp đồ họa. Các phương pháp toán học được sử dụng trong thời kỳ này được mô tả ngắn gọn trong tác phẩm của Rossotti và Rossotti. Sự phát triển quan trọng tiếp theo là việc sử dụng chương trình máy tính LETAGROP để tính toán, cho phép kiểm tra các hệ thống quá phức tạp.
Lý thuyết
Phản ứng giữa ion kim loại M và phối tử L để tạo thành phức chất thường là phản ứng thế. Ví dụ, trong dung dịch nước, các ion kim loại thường tồn tại dưới dạng ion hydrat hóa. Do đó, phản ứng tạo thành phức chất thứ nhất có thể được biểu diễn như sau:
[M(H2O)n] + L ⇋ [M(H2O)n-1L] + H2O. Hằng số cân bằng của phản ứng này có thể được biểu thị dưới dạng: β' = [M(H2O)n-1L][H2O] / [M(H2O)n][L]. Trong dung dịch loãng, nồng độ của nước có thể được coi là một hằng số, do đó đưa ra dạng đơn giản hơn:
β = [ML] / [M][L].
"Với việc nghiên cứu sâu hơn, việc đo các hằng số ổn định gần như đã trở thành một hoạt động "thường lệ" ngày nay và hàng nghìn dữ liệu về các phức chất khác nhau đã được tích lũy."
Hằng số bước và hằng số tích lũy
Hằng số tích lũy (β) dùng để chỉ hằng số trong quá trình hình thành các phức chất từ nguyên liệu thô. Ví dụ: đối với hằng số tích lũy hình thành ML2, nó có thể được biểu thị dưới dạng β1,2 = [ML2] / [M][L]2. Các hằng số bước K1 và K2 đề cập đến sự hình thành từng bước của phức chất. Sự thể hiện sự chiếm chỗ này tạo điều kiện cho sự hiểu biết về quá trình năng động của sự hình thành phức hợp phối tử kim loại.
Thủy phân
Phản ứng thủy phân thường liên quan đến các phản ứng hóa học sử dụng nước làm chất nền và tạo ra các hydroxit và ion hydro. Một sự hình thành phức thủy phân điển hình có thể được biểu thị dưới dạng M + OH ⇋ M(OH). Các hằng số của phản ứng này có thể được biểu thị dưới dạng K = [M(OH)] / [M][OH]. Nghiên cứu hằng số của các phản ứng thủy phân này có thể giúp hiểu sâu hơn về tính chất hóa học của kim loại.
Các hằng số nhiệt động lực học và độ ổn định
Nghiên cứu nhiệt động lực học của các phức được hình thành bởi các ion kim loại và phối tử cung cấp thông tin quan trọng, đặc biệt trong việc xác định các hiệu ứng entanpic và entropic. Những khái niệm nhiệt động lực học này đặc biệt hữu ích trong việc giải thích các hiện tượng như hiệu ứng thải sắt. Có mối quan hệ chặt chẽ giữa độ biến thiên năng lượng tự do Gibbs tiêu chuẩn (ΔGθ) và hằng số cân bằng của phản ứng:
ΔGθ = -2.303RT log β. Những mối quan hệ này không chỉ giúp hiểu rõ các phản ứng mà còn giúp dự đoán các tác động từ vi mô đến vĩ mô.
Với sự phát triển của nghiên cứu, việc đo lường và phân tích các hằng số ổn định đã trở thành một trong những lĩnh vực quan trọng của hóa học hiện đại. Chúng ta có thể mong đợi nhiều khám phá mang tính đột phá như vậy trong tương lai không?
