Giải Bài 4 trang 44 Chuyên đề Hoá học 12

Lời giải

Bước 1. Cấu hình electron của nguyên tử trung tâm và của ion $Ti^{3+}$.

Ti có $Z = 22$ nên cấu hình electron là:

$$\text{Ti}: 1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6\,3d^2\,4s^2 \quad ([\text{Ar}]3d^2\,4s^2)$$

Trong phức chất $[Ti(H_2O)_6]^{3+}$, phối tử $H_2O$ trung hoà điện nên nguyên tử trung tâm có số oxi hoá $+3$. Khi tạo ion $Ti^{3+}$, nguyên tử Ti nhường 2 electron ở phân lớp $4s$ và 1 electron ở phân lớp $3d$:

$$Ti^{3+}: [\text{Ar}]\,3d^1$$

Sơ đồ các orbital hoá trị của $Ti^{3+}$ (từ phân lớp $3d$ trở ra): 1 orbital $3d$ chứa 1 electron độc thân, 4 orbital $3d$ còn trống, cùng với các orbital $4s$ và $4p$ trống.

Bước 2. Số phối trí và kiểu lai hoá.

Phức chất $[Ti(H_2O)_6]^{3+}$ có 6 phối tử $H_2O$ (phối tử đơn càng) liên kết với $Ti^{3+}$ bằng 6 liên kết cho – nhận, nên số phối trí bằng 6. Nguyên tử trung tâm cần 6 orbital trống lai hoá với nhau để nhận 6 cặp electron do 6 phân tử $H_2O$ cho vào.

Vì $Ti^{3+}$ còn tới 4 orbital $3d$ trống ($\geq 2$ orbital $(n-1)d$ trống), và việc dùng các orbital $3d$ này không đòi hỏi ghép đôi electron độc thân (chỉ có 1 electron $3d$), nên nguyên tử trung tâm dùng 2 orbital $3d$ trống cùng với 1 orbital $4s$ và 3 orbital $4p$ để lai hoá:

$$\underbrace{3d,\ 3d}_{2\ \text{orbital}\ 3d\ \text{trống}},\ 4s,\ 4p,\ 4p,\ 4p \;\longrightarrow\; 6\ \text{orbital lai hoá}\ d^2sp^3$$

Đây là kiểu lai hoá $d^2sp^3$ (lai hoá trong, dùng orbital $3d$). Electron độc thân còn lại nằm ở một orbital $3d$ không tham gia lai hoá, nên phức chất thuận từ với 1 electron độc thân.

*Lưu ý:* với các ion có ít electron $d$ (cấu hình $d^0$–$d^3$) như $Ti^{3+}\,(d^1)$, do luôn sẵn orbital $(n-1)d$ trống và không phải ghép đôi electron, phức bát diện tạo thành là lai hoá trong $d^2sp^3$ chứ không dùng orbital $4d$ ngoài ($sp^3d^2$).

Bước 3. Dự đoán dạng hình học.

6 orbital lai hoá $d^2sp^3$ hướng về 6 đỉnh của một hình bát diện đều, mỗi orbital nhận 1 cặp electron của 1 phân tử $H_2O$. Do đó phức chất $[Ti(H_2O)_6]^{3+}$ có dạng bát diện đều (octahedral), với $Ti^{3+}$ ở tâm và 6 phân tử $H_2O$ ở 6 đỉnh.

Kết luận: Phức chất $[Ti(H_2O)_6]^{3+}$ có dạng hình học bát diện đều; nguyên tử trung tâm $Ti^{3+}$ ở trạng thái lai hoá $d^2sp^3$.

Đáp số