Khóa luận tốt nghiệp hóa học khảo sát sự tạo phức của cr và fe với axit malic

• Trường học: Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên
• Chuyên ngành: Hóa Học
• Đề tài: Khóa Luận Tốt Nghiệp Hóa Học Khảo Sát Sự Tạo Phức Của Cr Và Fe Với Axit Malic
• Loại tài liệu: khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. TINH HÌNH NGHIÊN CỨU PHỨC CHAT CỦA ION KIM LOẠI Fe VÀ Cr VỚI PHỐI TỬ HỮU CƠ
• 2. MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU PHỨC CHAT
• 2.1. Phương pháp hoá học
• 2.2. Phương pháp đo độ dẫn điện
• 2.3. Phương pháp phân tích nhiệt
• 2.3.1. Những nguyên tắc cơ bản trong phân tích nhiệt
• 2.3.2. Nguyên tắc đun nóng
• 2.3.3. Những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân tích nhiệt
• DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT, CÁC BẢNG
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan về sự tạo phức của Cr và Fe với Axit Malic

Hóa học phức chất là một lĩnh vực nghiên cứu hấp dẫn. Nó mang lại nhiều giá trị cả về lý thuyết và thực nghiệm. Việc nghiên cứu phức chất, đặc biệt là giữa các kim loại chuyển tiếp và axit hữu cơ, mở ra nhiều hiểu biết mới về liên kết hóa học và cấu trúc không gian. Đề tài khóa luận tốt nghiệp hóa học khảo sát sự tạo phức của Cr và Fe với axit malic tập trung vào một hướng đi đầy tiềm năng. Axit malic, một phối tử hữu cơ phổ biến, có khả năng tạo phức đa dạng, từ phức đơn nhân đến đa nhân. Trong khi đó, các ion kim loại Cr(III) và Fe(III) là những nguyên tố kim loại chuyển tiếp quan trọng, có khả năng tạo phức màu với độ nhạy cao. Chính vì vậy, các phức chất crom axit malic và phức chất sắt axit malic không chỉ có ý nghĩa trong hóa học phối trí mà còn được ứng dụng rộng rãi trong hóa học phân tích và nhiều ngành kỹ thuật khác, ví dụ như làm chất tạo màu cho gạch men và granit nhân tạo. Nghiên cứu này không chỉ hệ thống hóa các kiến thức đã có mà còn tìm ra điều kiện tối ưu để tổng hợp, xác định cấu trúc và dự đoán công thức phân tử của các phức chất tạo thành. Việc hiểu rõ cân bằng tạo phức trong dung dịch và các yếu tố ảnh hưởng là nền tảng quan trọng để kiểm soát quá trình và tạo ra sản phẩm có tính chất mong muốn, phục vụ cho các ứng dụng thực tiễn.

1.1. Tầm quan trọng của hóa học phức chất kim loại chuyển tiếp

Phức chất của kim loại chuyển tiếp đóng vai trò trung tâm trong nhiều quá trình sinh học và công nghiệp. Việc nghiên cứu chúng giúp làm sáng tỏ các vấn đề phức tạp về liên kết hóa học và cấu trúc không gian mà các học thuyết hiện tại chưa thể giải thích trọn vẹn. Các công trình trước đây, như nghiên cứu của Belloni về phức sắt-citrat hay của Barbieri về phức sắt-fomat, đã đặt nền móng cho việc tìm hiểu tương tác giữa ion kim loại và phối tử hữu cơ. Những nghiên cứu này góp phần làm phong phú thêm lý thuyết hóa học và mở ra các ứng dụng mới. Sự đa dạng về số phối trí và trạng thái oxy hóa của kim loại chuyển tiếp như Cr(III) và Fe(III) tạo ra một kho tàng các hợp chất với tính chất độc đáo.

1.2. Axit malic Một ligand hữu cơ đầy tiềm năng

Axit malic (axit hydroxy succinic) là một axit hữu cơ có mặt trong nhiều loại trái cây. Cấu trúc của nó chứa cả nhóm hydroxyl (-OH) và hai nhóm carboxyl (-COOH), tạo điều kiện lý tưởng để hoạt động như một ligand axit malic càng cua, có khả năng tạo phức vòng bền vững với các ion kim loại. Sự linh hoạt trong việc tạo liên kết của axit malic cho phép hình thành các phức chất có cấu trúc đa dạng. Tính tan tốt trong nước và khả năng tạo phức màu làm cho nó trở thành đối tượng lý tưởng cho các đề tài khóa luận hóa phân tích và ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm, dược phẩm cũng như vật liệu.

II. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự tạo phức của Cr và Fe

Quá trình tổng hợp phức chất crom axit malic và phức chất sắt axit malic không đơn giản. Nó chịu sự chi phối của nhiều yếu tố tương tác lẫn nhau. Việc kiểm soát chặt chẽ các điều kiện phản ứng là chìa khóa để thu được sản phẩm đồng nhất với hiệu suất cao. Một trong những yếu tố quan trọng nhất là pH của dung dịch. Sự ảnh hưởng của pH đến sự tạo phức là rất rõ rệt, vì nó quyết định trạng thái tồn tại của cả ion kim loại (dạng ion tự do hay hydroxo phức) và phối tử axit malic (dạng phân tử hay deproton hóa). Nhiệt độ cũng là một biến số quan trọng; nhiệt độ cao có thể thúc đẩy tốc độ phản ứng nhưng cũng có thể dẫn đến sự phân hủy phức. Ngoài ra, nồng độ của các chất phản ứng, thời gian phản ứng, và cách thức tiến hành (thêm ion kim loại vào phối tử hay ngược lại) đều tác động đến thành phần và cấu trúc của sản phẩm cuối cùng. Ngay cả dung môi dùng để kết tủa phức cũng có thể ảnh hưởng đến độ tinh khiết và hình thái tinh thể. Việc khảo sát một cách hệ thống các yếu tố này giúp xác định điều kiện tối ưu, một mục tiêu cốt lõi của các nghiên cứu thực nghiệm trong lĩnh vực hóa học phối trí.

2.1. Ảnh hưởng của pH và nhiệt độ đến cân bằng tạo phức

Giá trị pH là yếu tố quyết định. Ở pH thấp, axit malic tồn tại chủ yếu ở dạng phân tử, khả năng tạo phức kém. Khi pH tăng, các nhóm -COOH lần lượt bị deproton hóa thành -COO⁻, làm tăng khả năng phối trí. Tuy nhiên, nếu pH quá cao, các ion kim loại Cr(III) Fe(III) sẽ bị thủy phân tạo thành kết tủa hydroxit, cản trở sự tạo phức. Do đó, việc tìm ra khoảng pH tối ưu là bắt buộc. Nghiên cứu trong tài liệu gốc cho thấy nhiệt độ phản ứng tối ưu cho cả hai hệ là 50°C - 60°C. Nhiệt độ này đảm bảo tốc độ phản ứng đủ nhanh mà không làm phân hủy sản phẩm, giúp tạo ra các tinh thể đồng nhất.

2.2. Vai trò của nồng độ thời gian và dung môi kết tủa

Tỷ lệ mol giữa ion kim loại và phối tử ảnh hưởng trực tiếp đến thành phần của phức. Thời gian phản ứng cũng cần được tối ưu hóa; nghiên cứu cho thấy 60 phút là đủ cho phức sắt, trong khi phức crom cần đến 3 giờ. Dung môi kết tủa, thường là cồn etylic, được sử dụng để tách phức ra khỏi dung dịch. Tỷ lệ giữa dung dịch phản ứng và dung môi càng cao thì hiệu suất thu hồi phức chất càng lớn. Việc lựa chọn đúng tỷ lệ dung môi giúp thu được kết tủa dạng keo, dễ dàng lọc và tinh chế, đảm bảo sản phẩm cuối cùng có độ tinh khiết cao.

III. Hướng dẫn tổng hợp phức chất sắt Fe và Axit Malic

Việc tổng hợp phức chất sắt axit malic, ký hiệu là FeMal, đòi hỏi quy trình được kiểm soát cẩn thận để đạt được sản phẩm tinh khiết và đồng nhất. Dựa trên các kết quả khảo sát thực nghiệm, một quy trình tối ưu đã được thiết lập. Quy trình bắt đầu bằng việc chuẩn bị hai dung dịch riêng biệt: dung dịch chứa phối tử (axit malic và KOH) và dung dịch chứa ion trung tâm (FeCl₃). Phản ứng được tiến hành ở nhiệt độ 50°C - 60°C để đảm bảo tốc độ tối ưu. Một điểm quan trọng trong quy trình là cho từ từ dung dịch chứa ion trung tâm vào dung dịch chứa phối tử. Cách làm này giúp phản ứng diễn ra nhanh hơn và tạo ra tinh thể đồng nhất. Thời gian phản ứng được duy trì trong 60 phút dưới sự khuấy liên tục. Sau khi phản ứng kết thúc, dung dịch màu nâu đỏ thu được sẽ được xử lý để kết tủa phức. Cồn etylic nguyên chất được thêm vào với tỷ lệ thể tích 1:3 (dung dịch:cồn) để tách phức ra khỏi dung dịch dưới dạng keo. Kết tủa được để yên trong 24 giờ, sau đó lọc, rửa sạch bằng cồn và sấy khô trong bình hút ẩm cho đến khi khối lượng không đổi. Quy trình này là một ví dụ điển hình trong đề tài khóa luận hóa phân tích về tổng hợp phức chất.

3.1. Quy trình pha chế hóa chất và chuẩn bị phản ứng

Bước đầu tiên là pha chế các dung dịch gốc. Dung dịch 1 được tạo bằng cách hòa tan axit malic và KOH trong nước cất. Dung dịch 2 là dung dịch FeCl₃. Cả hai dung dịch đều được lọc để loại bỏ tạp chất. Việc duy trì nhiệt độ ổn định trong khoảng 50°C - 60°C được thực hiện bằng cách đun cách thủy và sử dụng máy khuấy từ. Cách tiến hành phản ứng theo hướng thêm dung dịch ion kim loại vào dung dịch phối tử được lựa chọn vì nó mang lại hiệu quả cao nhất cho hệ sắt-malat.

3.2. Kỹ thuật kết tủa và tinh chế sản phẩm FeMal

Sau 60 phút phản ứng, việc tách phức ra khỏi dung dịch là bước tiếp theo. Sử dụng cồn etylic làm dung môi kết tủa là một phương pháp phổ biến. Kết tủa dạng keo sau khi hình thành cần được rửa kỹ bằng cồn nguyên chất để loại bỏ ion Cl⁻ dư thừa. Việc kiểm tra sự có mặt của Cl⁻ được thực hiện bằng dung dịch AgNO₃ cho đến khi không còn thấy kết tủa trắng. Sản phẩm cuối cùng, phức chất sắt axit malic, được làm khô hoàn toàn trong bình hút ẩm, sẵn sàng cho các bước phân tích đặc trưng tiếp theo.

IV. Phương pháp xác định thành phần và cấu trúc phức chất

Sau khi tổng hợp thành công, việc xác định thành phần phức và làm sáng tỏ cấu trúc phức chất là mục tiêu quan trọng tiếp theo. Một loạt các phương pháp phân tích hiện đại đã được áp dụng để thu thập dữ liệu. Phân tích nguyên tố (C, H, K) giúp xác định tỷ lệ các nguyên tố trong phân tử. Hàm lượng kim loại (Cr, Fe) được xác định bằng các phương pháp chuẩn độ thể tích, cụ thể là chuẩn độ đo pH complexon. Để nghiên cứu cấu trúc, các kỹ thuật quang phổ đóng vai trò không thể thiếu. Phương pháp đo quang UV-Vis (phổ hấp thụ tử ngoại - khả kiến) cung cấp thông tin về sự chuyển dịch electron, sự tạo phức và cấu hình không gian của phức chất, ví dụ như cấu hình bát diện của phức crom. Phổ hồng ngoại (IR) là công cụ mạnh mẽ để xác định các nhóm chức và cách thức phối trí của ligand. Bên cạnh đó, phương pháp phân tích nhiệt (TG-DTA) và đo độ dẫn điện cũng được sử dụng. Phân tích nhiệt cho biết độ bền nhiệt và sự hiện diện của các phân tử nước (kết tinh hoặc phối trí), trong khi đo độ dẫn điện giúp xác định kiểu phân ly của phức chất trong dung dịch, từ đó suy ra cấu trúc cầu nội và cầu ngoại.

4.1. Ứng dụng phổ hồng ngoại IR trong nghiên cứu phổ hấp thụ

Phổ hồng ngoại là một trong những phương pháp cốt lõi để nghiên cứu phổ hấp thụ và xác định liên kết. Trong nghiên cứu này, sự biến mất của vân hấp thụ đặc trưng cho nhóm -COOH (khoảng 1750-1728 cm⁻¹) và sự xuất hiện của hai vân mới của nhóm COO⁻ (khoảng 1635-1556 cm⁻¹ và 1396-1381 cm⁻¹) trên phổ của cả hai phức chất là bằng chứng rõ ràng cho thấy cả hai nhóm carboxyl của axit malic đã tham gia vào việc tạo phức. Sự hiện diện của một vân hấp thụ rộng ở vùng trên 3200 cm⁻¹ khẳng định sự tồn tại của nhóm -OH và các phân tử nước trong cấu trúc.

4.2. Phân tích nhiệt TG DTA và đo độ dẫn điện phân tử

Giản đồ phân tích nhiệt cung cấp dữ liệu về các quá trình biến đổi khi nung nóng. Đối với phức FeMal, hiệu ứng thu nhiệt ở 105°C tương ứng với quá trình mất nước. Các hiệu ứng tỏa nhiệt ở nhiệt độ cao hơn cho thấy sự phân hủy của phối tử hữu cơ. Tương tự, giản đồ của phức CrMal cũng cho thấy các giai đoạn mất nước kết tinh và nước phối trí riêng biệt. Kết quả đo độ dẫn điện phân tử giúp xác nhận rằng các phức chất này là chất điện ly, từ đó củng cố cho việc dự đoán công thức phân tử bao gồm các ion ở cầu ngoại.

V. Kết quả nghiên cứu Cấu trúc và tính chất phức chất

Dựa trên việc tổng hợp các dữ liệu từ phân tích nguyên tố, phổ hồng ngoại, phổ UV-Vis và phân tích nhiệt, công thức phân tử và cấu trúc phức chất đã được dự đoán. Đối với phức chất sắt axit malic, công thức phân tử được đề xuất là KFeC₄H₅O₅·2H₂O. Phân tích cho thấy phức này chứa một ion K⁺ ở cầu ngoại, và ion Fe(III) tạo phức với một phân tử axit malic đã bị deproton hóa hoàn toàn. Hai phân tử nước trong công thức có thể là nước phối trí hoặc nước kết tinh. Đối với phức chất crom axit malic, cấu trúc phức tạp hơn với công thức dự kiến là KCrC₈H₁₄O₁₀·4H₂O. Công thức này cho thấy ion Cr(III) có thể tạo phức với hai phối tử malat. Sự hiện diện của hai vân hấp thụ trong vùng khả kiến trên phổ UV-Vis củng cố giả thuyết về cấu hình bát diện của phức crom. Các kết quả này không chỉ xác định được hằng số bền của phức một cách định tính mà còn cung cấp một cái nhìn chi tiết về cách các ion kim loại Cr(III) Fe(III) tương tác với ligand axit malic trong môi trường dung dịch nước, một thành tựu quan trọng của đề tài.

5.1. Công thức và cấu tạo dự kiến của phức KFeC₄H₅O₅ 2H₂O

Kết quả phân tích nguyên tố và phổ IR cho thấy tỷ lệ K:Fe:C:H:O phù hợp với công thức KFeC₄H₅O₅. Phân tích nhiệt xác nhận sự có mặt của 2 phân tử nước. Phổ IR chứng minh cả hai nhóm carboxyl và có thể cả nhóm hydroxyl của axit malic đều tham gia phối trí với ion Fe(III). Cấu trúc dự kiến là một phức đơn nhân, trong đó Fe(III) ở trung tâm, được bao quanh bởi phối tử malat và các phân tử nước, tạo thành một cấu trúc bền vững.

5.2. Cấu trúc phức tạp của phức KCrC₈H₁₄O₁₀ 4H₂O

Phức crom có công thức thực nghiệm phức tạp hơn, gợi ý rằng một ion Cr(III) có thể liên kết với hai phối tử malat. Dữ liệu phân tích nhiệt chỉ ra sự tồn tại của 4 phân tử nước, trong đó có thể phân biệt giữa nước phối trí và nước kết tinh dựa trên nhiệt độ mất nước. Phổ UV-Vis với hai đỉnh hấp thụ đặc trưng là dấu hiệu của cấu hình bát diện bị méo, một đặc điểm phổ biến trong hóa học phối trí của Cr(III). Việc đề xuất được công thức này là một bước tiến quan trọng trong việc tìm hiểu cân bằng tạo phức trong dung dịch của hệ Cr(III)-malat.

VI. Tiềm năng ứng dụng của phức chất Cr và Fe Axit Malic

Nghiên cứu về khóa luận tốt nghiệp hóa học khảo sát sự tạo phức của Cr và Fe với axit malic không chỉ dừng lại ở các kết quả lý thuyết. Các phức chất được tổng hợp cho thấy nhiều tiềm năng ứng dụng thực tiễn. Mục đích ban đầu của đề tài là khảo sát khả năng dùng các phức chất này để tạo màu cho gạch granit nhân tạo. Các phức kim loại chuyển tiếp thường có màu sắc đặc trưng và bền, là ứng viên lý tưởng cho việc sản xuất bột màu vô cơ. Phức chất sắt axit malic có màu nâu đỏ, trong khi phức chất crom axit malic có màu tím xanh đen, hứa hẹn tạo ra các gam màu độc đáo cho vật liệu xây dựng. Ngoài ra, việc hiểu rõ cơ chế tạo phức giữa các ion kim loại nặng như Cr, Fe với axit hữu cơ còn có ý nghĩa trong lĩnh vực xử lý môi trường. Axit malic có thể được sử dụng như một tác nhân chelat hóa để loại bỏ các ion kim loại độc hại khỏi nguồn nước. Hơn nữa, do axit malic là một chất quang hoạt, các phức chất tạo thành cũng có thể sở hữu các tính chất quang học đặc biệt, mở ra hướng nghiên cứu ứng dụng trong các lĩnh vực xúc tác bất đối xứng hoặc vật liệu quang học.

6.1. Ứng dụng trong ngành vật liệu và sản xuất gốm sứ

Khả năng tạo màu bền nhiệt của các phức chất là một ưu điểm lớn. Hướng phát triển của đề tài có thể tập trung vào việc khảo sát độ thấm và độ bền màu của các phức này khi được nung trên nền gạch hoặc gốm. Việc kiểm soát được kích thước hạt và độ phân tán của phức chất sẽ quyết định chất lượng của sản phẩm cuối cùng. Nghiên cứu này đặt nền móng cho việc phát triển các loại men màu, thuốc nhuộm gốm sứ mới thân thiện với môi trường hơn so với các hợp chất vô cơ truyền thống.

6.2. Hướng nghiên cứu và phát triển trong tương lai

Đề tài đã mở ra nhiều hướng nghiên cứu tiềm năng. Thứ nhất, cần xác định chính xác hằng số bền của phức bằng các phương pháp định lượng như chuẩn độ đo pH hoặc các phương pháp quang phổ như phương pháp Job. Thứ hai, nghiên cứu sâu hơn về tính chất quang hoạt của các phức chất để ứng dụng trong các lĩnh vực chuyên biệt. Cuối cùng, có thể mở rộng nghiên cứu sang các ion kim loại chuyển tiếp khác và các phối tử axit hữu cơ tương tự để xây dựng một hệ thống dữ liệu toàn diện về hóa học phức chất, góp phần thúc đẩy cả nghiên cứu cơ bản và ứng dụng thực tiễn.