Liên kết phối trí (Coordinate covalent bond/Dative bond)

Liên kết phối trí, còn được gọi là liên kết cho nhận, là một loại liên kết cộng hóa trị đặc biệt, trong đó cả hai electron dùng chung đều đến từ một nguyên tử. Nói cách khác, thay vì mỗi nguyên tử đóng góp một electron để tạo thành cặp electron dùng chung như trong liên kết cộng hóa trị thông thường, trong liên kết phối trí chỉ có một nguyên tử cung cấp cả cặp electron.

Sự hình thành liên kết phối trí

Liên kết phối trí được hình thành giữa một nguyên tử có cặp electron chưa liên kết (chất cho) và một nguyên tử hoặc ion thiếu electron (chất nhận). Chất cho, còn được gọi là base Lewis, sẽ “cho” cặp electron chưa liên kết của mình. Chất nhận, còn được gọi là acid Lewis, sẽ “nhận” cặp electron này để hoàn thành lớp vỏ electron ngoài cùng của nó.

Ví dụ: Sự hình thành ion amoni ($NH_4^+$) từ amoniac ($NH_3$) và ion hydro ($H^+$)

Nguyên tử nitơ trong $NH_3$ có một cặp electron chưa liên kết.
Ion $H^+$ không có electron.

Khi $NH_3$ gặp $H^+$, cặp electron chưa liên kết của nitơ được dùng chung với $H^+$, tạo thành liên kết phối trí. Kết quả là ion $NH_4^+$. Phản ứng có thể được biểu diễn như sau:

$H^+ + :NH_3 \rightarrow [H \leftarrow NH_3]^+ $ hay $NH_4^+$

Mũi tên ($\leftarrow$) chỉ hướng di chuyển của cặp electron từ nguyên tử nitơ sang ion hydro. Sau khi hình thành liên kết, không thể phân biệt được electron nào đến từ nitơ và electron nào đến từ hydro. Do đó, ion amoni được viết là $NH_4^+$, và bốn liên kết N-H được coi là tương đương nhau.

Đặc điểm của liên kết phối trí

Bản chất: Liên kết phối trí về cơ bản là một liên kết cộng hóa trị. Sau khi hình thành, nó không khác gì liên kết cộng hóa trị thông thường về độ dài liên kết, độ bền liên kết và phân bố điện tích.
Ký hiệu: Liên kết phối trí thường được biểu diễn bằng một mũi tên ($\leftarrow$) chỉ từ nguyên tử cho đến nguyên tử nhận. Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp, nó được biểu diễn giống như một liên kết cộng hóa trị thông thường bằng một gạch nối (-). Điều này nhấn mạnh rằng một khi liên kết đã hình thành, nó không khác biệt so với liên kết cộng hóa trị thông thường.
Ứng dụng: Liên kết phối trí đóng vai trò quan trọng trong hóa học phối trí, đặc biệt là trong sự hình thành các phức chất. Nó cũng quan trọng trong nhiều phản ứng hóa học và trong cấu trúc của nhiều hợp chất.

Ví dụ khác

Sự hình thành ion hydroni ($H_3O^+$) từ nước ($H_2O$) và ion hydro ($H^+$):

$H^+ + :OH_2 \rightarrow [H \leftarrow OH_2]^+ $ hay $H_3O^+$

Sự hình thành phức chất giữa ion kim loại chuyển tiếp và các phối tử: Ví dụ, trong phức $[Cu(NH_3)_4]^{2+}$, các nguyên tử nitơ trong phân tử amoniac ($NH_3$) đóng vai trò là chất cho, tạo liên kết phối trí với ion đồng ($Cu^{2+}$). Trong trường hợp này, $NH_3$ là phối tử và $Cu^{2+}$ là ion trung tâm.

Phân biệt giữa liên kết phối trí và liên kết cộng hóa trị

Mặc dù sau khi hình thành, liên kết phối trí không khác biệt nhiều so với liên kết cộng hóa trị thông thường về tính chất, nhưng vẫn có sự khác biệt về nguồn gốc hình thành:

Liên kết cộng hóa trị: Mỗi nguyên tử tham gia liên kết đóng góp một electron để tạo thành cặp electron dùng chung.
Liên kết phối trí: Cả hai electron dùng chung đều đến từ một nguyên tử (chất cho).

Tuy nhiên, sự phân biệt này mang tính hình thức. Một khi liên kết đã được thiết lập, không thể xác định electron nào đến từ nguyên tử nào. Ví dụ, trong ion amoni ($NH_4^+$), cả bốn liên kết N-H đều giống nhau, mặc dù ban đầu một trong số chúng được hình thành bằng liên kết phối trí. Sự khác biệt chỉ nằm ở cách liên kết được hình thành, chứ không phải bản chất của liên kết sau khi đã hình thành.

Ý nghĩa của liên kết phối trí

Liên kết phối trí đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực hóa học:

Hóa học phối trí: Liên kết phối trí là nền tảng của hóa học phối trí, nghiên cứu về các phức chất. Các phối tử, như $NH_3$, $H_2O$, $CN^-$, tạo liên kết phối trí với ion kim loại trung tâm để hình thành phức chất. Các phức chất có nhiều ứng dụng quan trọng trong xúc tác, y học và khoa học vật liệu.
Phản ứng acid-base Lewis: Khái niệm acid và base Lewis dựa trên khả năng nhận và cho cặp electron. Liên kết phối trí được hình thành khi một base Lewis (chất cho) tương tác với một acid Lewis (chất nhận). Đây là một khái niệm rộng hơn so với định nghĩa acid-base Brønsted-Lowry.
Cấu trúc phân tử: Nhiều phân tử và ion chứa liên kết phối trí. Ví dụ, ion $H_3O^+$ trong dung dịch nước, phân tử $HNO_3$, $SO_2$, $SO_3$,… Việc hiểu về liên kết phối trí giúp giải thích hình dạng và tính chất của các phân tử này.
Xúc tác: Nhiều chất xúc tác hoạt động bằng cách hình thành liên kết phối trí với các chất phản ứng. Liên kết này có thể làm yếu các liên kết hiện có hoặc ổn định trạng thái chuyển tiếp, từ đó làm tăng tốc độ phản ứng.

Liên kết phối trí và số oxi hóa

Khi xác định số oxi hóa trong phân tử có liên kết phối trí, ta coi cặp electron dùng chung thuộc về nguyên tử có độ âm điện lớn hơn, tương tự như trong liên kết cộng hóa trị thông thường. Điều này có nghĩa là việc hình thành liên kết phối trí không làm thay đổi số oxi hóa của các nguyên tử liên quan.

Ví dụ bổ sung về các hợp chất chứa liên kết phối trí

Trifluorua bo ($BF_3$): Bo chỉ có 3 electron hóa trị, và khi phản ứng với ion florua ($F^-$), sẽ tạo thành anion tetrafluoroborat ($BF_4^-$) thông qua liên kết phối trí.

$BF_3 + :F^- \rightarrow BF_4^-$

Ozon ($O_3$): Có thể coi một trong các liên kết O-O trong ozon là liên kết phối trí. Tuy nhiên, do các nguyên tử oxy có độ âm điện giống nhau, nên việc gán số oxi hóa và xác định liên kết phối trí trong ozon phức tạp hơn. Mô tả chính xác hơn về liên kết trong ozon liên quan đến sự cộng hưởng.

Tóm tắt về Liên kết phối trí

Liên kết phối trí, hay liên kết cho nhận, là một loại liên kết cộng hóa trị, trong đó cả hai electron dùng chung đều xuất phát từ một nguyên tử (nguyên tử cho). Nguyên tử này có cặp electron chưa liên kết và được gọi là base Lewis. Nguyên tử nhận cặp electron được gọi là acid Lewis và thường thiếu electron để đạt cấu hình bền vững. Ví dụ điển hình là sự hình thành ion amoni ($NH_4^+$) từ $NH_3$ (base Lewis) và $H^+$ (acid Lewis): $H^+ + :NH_3 \rightarrow NH_4^+$.

Mặc dù nguồn gốc electron khác nhau, sau khi hình thành, liên kết phối trí không khác gì liên kết cộng hóa trị thông thường về độ dài, độ bền và phân bố điện tích. Không thể phân biệt electron nào đến từ nguyên tử nào sau khi liên kết được thiết lập. Ký hiệu mũi tên ($\leftarrow$) chỉ được sử dụng để biểu diễn sự hình thành liên kết, chứ không phải để phân biệt liên kết phối trí với liên kết cộng hóa trị trong phân tử đã được tạo thành.

Liên kết phối trí đóng vai trò then chốt trong nhiều lĩnh vực hóa học, đặc biệt là trong hóa học phối trí, nơi nó giải thích sự hình thành phức chất giữa ion kim loại và phối tử. Nó cũng quan trọng trong phản ứng acid-base Lewis và cấu trúc của nhiều hợp chất vô cơ và hữu cơ. Việc hiểu rõ bản chất và đặc điểm của liên kết phối trí là rất quan trọng để nắm vững các nguyên lý cơ bản của hóa học.

Tài liệu tham khảo:

Atkins, P., & de Paula, J. (2010). Atkins’ Physical Chemistry. Oxford University Press.
Housecroft, C. E., & Sharpe, A. G. (2008). Inorganic Chemistry. Pearson Education.
Huheey, J. E., Keiter, E. A., & Keiter, R. L. (1993). Inorganic Chemistry: Principles of Structure and Reactivity. HarperCollins College Publishers.

Câu hỏi và Giải đáp

Làm thế nào để phân biệt liên kết phối trí và liên kết cộng hóa trị trong một phân tử đã được hình thành, ví dụ như trong ion amoni ($NH_4^+$)?

Trả lời: Thực tế, sau khi liên kết đã được thiết lập, không thể phân biệt được đâu là liên kết phối trí và đâu là liên kết cộng hóa trị. Trong ion $NH_4^+$, cả bốn liên kết N-H đều giống hệt nhau về độ dài, độ bền và phân bố điện tích, mặc dù ban đầu một trong số chúng được hình thành từ cặp electron của nitơ.

Vai trò của liên kết phối trí trong việc hình thành phức chất kim loại chuyển tiếp là gì?

Trả lời: Liên kết phối trí là nền tảng cho sự hình thành phức chất. Các phối tử, hoạt động như base Lewis, sử dụng cặp electron chưa liên kết của chúng để tạo liên kết phối trí với ion kim loại chuyển tiếp (acid Lewis). Ví dụ, trong phức $[Cu(NH_3)_4]^{2+}$, bốn phân tử $NH_3$ tạo liên kết phối trí với ion $Cu^{2+}$.

Ngoài $NH_3$, còn những phối tử nào khác có thể tạo liên kết phối trí với ion kim loại?

Trả lời: Có rất nhiều phối tử khác có thể tạo liên kết phối trí, ví dụ như nước ($H_2O$), ion cyanua ($CN^-$), ion clorua ($Cl^-$), ion hydroxit ($OH^-$), ethylenediamine ($en$), và nhiều phân tử hữu cơ khác.

Độ bền của liên kết phối trí so với liên kết cộng hóa trị thông thường như thế nào?

Trả lời: Độ bền của liên kết phối trí rất đa dạng và phụ thuộc vào bản chất của nguyên tử cho và nhận. Nói chung, sau khi hình thành, liên kết phối trí không khác gì liên kết cộng hóa trị về độ bền, và có thể mạnh hoặc yếu tùy thuộc vào các nguyên tử liên quan.

Tại sao liên kết phối trí lại quan trọng trong phản ứng acid-base Lewis?

Trả lời: Theo định nghĩa, phản ứng acid-base Lewis liên quan đến sự cho nhận cặp electron. Base Lewis (chất cho) cung cấp cặp electron, và acid Lewis (chất nhận) nhận cặp electron đó. Kết quả là sự hình thành liên kết phối trí giữa acid và base Lewis.

Một số điều thú vị về Liên kết phối trí

“Liên kết vô hình”: Mặc dù ta dùng mũi tên để biểu diễn sự hình thành liên kết phối trí, nhưng thực tế sau khi hình thành, nó không khác gì liên kết cộng hóa trị thông thường. Nghĩa là không thể “nhìn thấy” hay phân biệt được đâu là liên kết phối trí trong một phân tử đã được tạo thành. Nó giống như việc đổ hai cốc nước giống hệt nhau vào một bình, sau đó không thể phân biệt được nước từ cốc nào.
Từ “phối trí” có ý nghĩa sâu xa: Trong hóa học phối trí, liên kết phối trí đóng vai trò trung tâm. Các phối tử “phối hợp” với ion kim loại trung tâm bằng cách cho electron, tạo nên những cấu trúc phức tạp và đa dạng. Chính sự “phối hợp” này quyết định tính chất hóa học và vật lý của phức chất.
Ứng dụng đa dạng, từ y học đến công nghiệp: Phức chất kim loại chuyển tiếp, được hình thành nhờ liên kết phối trí, có ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Ví dụ, hemoglobin trong máu, có chứa sắt và liên kết phối trí với oxy, giúp vận chuyển oxy đi khắp cơ thể. Một số phức chất khác được dùng làm chất xúc tác trong công nghiệp, thuốc chữa bệnh, hay vật liệu phát quang.
Không chỉ kim loại chuyển tiếp: Mặc dù thường gặp trong hóa học của kim loại chuyển tiếp, liên kết phối trí không chỉ giới hạn ở đó. Nó cũng xuất hiện trong nhiều hợp chất của các nguyên tố phi kim, ví dụ như trong ion $H_3O^+$, $NH_4^+$, và nhiều phân tử khác.
Liên kết phối trí và màu sắc: Sự hình thành phức chất kim loại chuyển tiếp thường đi kèm với sự thay đổi màu sắc. Màu sắc của phức chất phụ thuộc vào cấu trúc và bản chất của phối tử liên kết với ion kim loại, mà liên kết phối trí chính là cầu nối giữa chúng. Chính vì vậy, liên kết phối trí gián tiếp góp phần tạo nên sự đa dạng màu sắc trong thế giới hóa học.