Nghiên Cứu Phức Chất Kim Loại Chuyển Tiếp Với Axit Lactic

Khóa luận tốt nghiệp nghiên cứu tốt nghiệp hóa học tổng hợp một số phức chất của ion kim loại chuyển tiếp với axit lactic, vận dụng lý thuyết vào thực tế, đề xuất giải pháp cụ thể

• Tác giả: Nguyễn Chí Linh
• Người hướng dẫn: TS. Lê Phí Thủy
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Hóa Học Chuyên Ngành: Hóa Vô Cơ
• Đề tài: Nghiên Cứu Phức Chất Kim Loại Chuyển Tiếp Với Axit Lactic
• Loại tài liệu: Khoa Luận Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2006
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tình hình nghiên cứu phức chất của kim loại chuyển tiếp với axit lactic
• 1.2. Các phương pháp tổng hợp phức chất
• 1.2.1. Phương pháp hidroxit hóa
• 1.2.2. Phương pháp cacbonat hóa
• 1.2.3. Phương pháp khác
• 1.3. Một số phương pháp nghiên cứu phức chất
• 1.3.1. Phương pháp hóa học
• 1.3.2. Phương pháp đo độ dẫn điện
• 1.3.3. Phương pháp phân tích nhiệt
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ BIÊN LUẬN KẾT QUẢ
• 2.1. Điều chế các phức chất
• 2.2. Quan sát bên ngoài các phức chất và phân tích hàm lượng nguyên tố
• 2.3. Đo phổ hấp thụ hồng ngoại và phổ electron
• 2.4. Xác định công thức phân tử và dự đoán công thức cấu tạo
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Nghiên Cứu Phức Chất Kim Loại Chuyển Tiếp Với Axit Lactic

Nghiên cứu về phức chất kim loại chuyển tiếp với axit lactic đã thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học. Các phức chất này không chỉ có ý nghĩa lý thuyết mà còn có ứng dụng thực tiễn trong nhiều lĩnh vực. Việc tìm hiểu về cấu trúc và tính chất của chúng giúp mở rộng hiểu biết về hóa học phức chất. Nghiên cứu này cũng góp phần vào việc phát triển các ứng dụng trong công nghiệp và y học.

1.1. Tình Hình Nghiên Cứu Phức Chất Kim Loại Chuyển Tiếp

Nghiên cứu về phức chất kim loại với axit lactic đã được thực hiện từ lâu. Tuy nhiên, tài liệu về phương pháp tổng hợp vẫn còn hạn chế. Các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào tính chất và ứng dụng của chúng trong thực tế.

1.2. Lợi Ích Của Nghiên Cứu Phức Chất Kim Loại

Việc nghiên cứu phức chất kim loại giúp hiểu rõ hơn về các liên kết hóa học và cấu trúc không gian. Điều này không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong công nghiệp và y học.

II. Vấn Đề Và Thách Thức Trong Nghiên Cứu Phức Chất Kim Loại

Mặc dù có nhiều nghiên cứu về phức chất kim loại, nhưng vẫn tồn tại nhiều thách thức trong việc tổng hợp và phân tích chúng. Các vấn đề như độ tinh khiết của nguyên liệu, điều kiện phản ứng và phương pháp phân tích đều ảnh hưởng đến kết quả nghiên cứu. Việc tìm ra các phương pháp tối ưu để tổng hợp và phân tích là rất cần thiết.

2.1. Độ Tinh Khiết Của Nguyên Liệu

Độ tinh khiết của nguyên liệu ảnh hưởng lớn đến chất lượng của phức chất kim loại. Việc sử dụng nguyên liệu không đạt tiêu chuẩn có thể dẫn đến kết quả không chính xác trong nghiên cứu.

2.2. Điều Kiện Phản Ứng

Các điều kiện phản ứng như nhiệt độ, pH và thời gian phản ứng cần được kiểm soát chặt chẽ. Sự thay đổi nhỏ trong các điều kiện này có thể ảnh hưởng đến cấu trúc và tính chất của phức chất.

III. Phương Pháp Tổng Hợp Phức Chất Kim Loại Với Axit Lactic

Có nhiều phương pháp để tổng hợp phức chất kim loại với axit lactic. Các phương pháp này bao gồm phương pháp hidroxit hóa, cacbonat hóa và các phương pháp khác. Mỗi phương pháp có ưu điểm và nhược điểm riêng, và việc lựa chọn phương pháp phù hợp là rất quan trọng.

3.1. Phương Pháp Hidroxit Hóa

Phương pháp hidroxit hóa là một trong những cách phổ biến để tổng hợp phức chất kim loại. Phương pháp này giúp tạo ra các phức chất tinh khiết mà không cần phải tinh chế lại.

3.2. Phương Pháp Cacbonat Hóa

Phương pháp cacbonat hóa cũng được sử dụng rộng rãi trong tổng hợp phức chất kim loại. Phương pháp này có ưu điểm là đơn giản và dễ thực hiện, nhưng cần chú ý đến độ tinh khiết của sản phẩm cuối cùng.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Phức Chất Kim Loại Chuyển Tiếp

Các phức chất kim loại chuyển tiếp với axit lactic có nhiều ứng dụng trong thực tiễn. Chúng được sử dụng trong ngành công nghiệp gốm sứ, y học và nhiều lĩnh vực khác. Việc hiểu rõ về tính chất và ứng dụng của chúng giúp phát triển các sản phẩm mới và cải thiện quy trình sản xuất.

4.1. Ứng Dụng Trong Ngành Công Nghiệp

Trong ngành công nghiệp gốm sứ, phức chất kim loại được sử dụng làm chất tạo màu. Điều này giúp tạo ra các sản phẩm có màu sắc đẹp và bền.

4.2. Ứng Dụng Trong Y Học

Các phức chất kim loại cũng được nghiên cứu để ứng dụng trong y học, đặc biệt là trong việc phát triển các loại thuốc mới. Chúng có thể đóng vai trò quan trọng trong việc điều trị một số bệnh.

V. Kết Luận Và Tương Lai Của Nghiên Cứu Phức Chất Kim Loại

Nghiên cứu về phức chất kim loại chuyển tiếp với axit lactic đang mở ra nhiều cơ hội mới. Việc phát triển các phương pháp tổng hợp và phân tích hiệu quả sẽ giúp nâng cao chất lượng nghiên cứu. Tương lai của lĩnh vực này hứa hẹn sẽ có nhiều tiến bộ và ứng dụng thực tiễn.

5.1. Tiềm Năng Nghiên Cứu

Tiềm năng nghiên cứu trong lĩnh vực phức chất kim loại là rất lớn. Các nhà khoa học có thể khám phá thêm nhiều ứng dụng mới và cải tiến quy trình sản xuất.

5.2. Hướng Đi Tương Lai

Hướng đi tương lai của nghiên cứu này cần tập trung vào việc phát triển các phương pháp tổng hợp mới và cải tiến các phương pháp phân tích hiện có. Điều này sẽ giúp nâng cao hiệu quả và độ chính xác trong nghiên cứu.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Hóa học phức chất là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong hóa học vô cơ do tính chất phong phú về mặt lý thuyết liên kết cũng như tiềm năng ứng dụng thực nghiệm. Việc khảo sát các phức chất giúp làm sáng tỏ nhiều vấn đề phức tạp về cấu trúc không gian và bản chất liên kết hóa học mà các học thuyết cổ điển chưa bao quát toàn diện. Trong nhóm các hợp chất này, phức chất giữa kim loại chuyển tiếp với các axit hữu cơ (đặc biệt là các hydroxyaxit như axit lactic) thu hút nhiều sự quan tâm nhờ đặc tính tạo màu và khả năng thẩm thấu sâu, cho phép ứng dụng làm chất tạo màu trong công nghiệp gốm sứ.

Tại thời điểm thực hiện đề tài (năm 2006), nguồn nguyên liệu phức chất phục vụ sản xuất trong nước phần lớn phải nhập khẩu. Do đó, việc nghiên cứu quy trình tổng hợp và khảo sát cấu trúc các phức chất này trong điều kiện phòng thí nghiệm là cần thiết. Khóa luận tốt nghiệp cử nhân hóa học của sinh viên Nguyễn Chí Linh, dưới sự hướng dẫn của TS. Lê Phi Thúy tại Khoa Hóa học, Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh (thực hiện tháng 5 năm 2006), tập trung vào các nhiệm vụ và mục tiêu cụ thể sau:

1. Tìm điều kiện thực nghiệm tối ưu để tổng hợp các phức chất của kim loại chuyển tiếp gồm coban (Co), niken (Ni), và mangan (Mn) với phối tử axit lactic.
2. Xác định công thức phân tử, dự đoán công thức cấu tạo và khảo sát một số tính chất hóa lý của các phức chất tổng hợp được.
3. Ứng dụng phần mềm hóa tính toán HyperChem để tính toán, mô phỏng phổ dao động (hồng ngoại) và phổ electron (tử ngoại - khả kiến), từ đó đánh giá mức độ tương quan và khả năng dự đoán phổ của phần mềm này so với thực nghiệm.

Đối tượng nghiên cứu của khóa luận là các phức chất tạo bởi các ion kim loại chuyển tiếp hóa trị II ($\text{Co}^{2+}$, $\text{Ni}^{2+}$, $\text{Mn}^{2+}$) với phối tử lactat ($\text{CH}_3\text{CH(OH)COO}^-$). Phạm vi nghiên cứu bao gồm thực nghiệm tổng hợp vô cơ ở quy mô phòng thí nghiệm và tính toán mô phỏng lượng tử bán kinh nghiệm trên máy tính.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và đối tượng nghiên cứu

• Hóa học phức chất và thuyết phối trí: Nghiên cứu dựa trên nền tảng thuyết phối trí Alfred Werner, nguyên lý tạo liên kết giữa ion trung tâm mang orbital $d$ trống với phối tử hữu cơ đa càng.
• Phối tử axit lactic: Axit lactic (axit 2-hydroxypropanoic, $\text{CH}_3-\text{CH(OH)}-\text{COOH}$) là một hydroxyaxit đơn giản có một nguyên tử cacbon bất đối, tồn tại ở dạng đồng phân quang học D-, L- và hỗn hợp racemic DL-. Trong dung dịch nước, axit phân ly với hằng số điện ly $K = 1{,}38 \cdot 10^{-4}$. Nhờ chứa đồng thời nhóm cacboxyl ($-\text{COOH}$) và nhóm hydroxyl ($-\text{OH}$), phối tử lactat có khả năng phối trí tạo vòng càng cua (chelate) bền vững với các cation kim loại chuyển tiếp.
• Cơ sở quang phổ học phân tử: Phổ hấp thụ hồng ngoại (IR) ghi nhận các dao động hóa trị và dao động biến dạng của các nhóm chức trong phân tử và nội cầu phức chất. Phổ electron (UV-VIS) ghi nhận các chuyển mức năng lượng electron bao gồm chuyển mức nội bộ phối tử ($N \to V, N \to Q$), chuyển mức chuyển dịch điện tích và chuyển mức trường phối tử ($d-d$).
• Phương pháp phân tích nhiệt: Sử dụng thiết bị Derivatograph ghi đồng thời 4 đường: biến thiên nhiệt độ (T), phân tích nhiệt vi sai (DTA), nhiệt trọng lượng (TG) và vi phân nhiệt trọng lượng (DTG) để khảo sát độ bền nhiệt và các giai đoạn phân hủy của phức chất theo phương trình nhiệt động $\Delta H = \Delta G + T\Delta S$.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và tính toán

Khóa luận kết hợp các phương pháp thực nghiệm hóa học truyền thống với các công cụ hóa lý hiện đại:

• Phương pháp tổng hợp hóa học: Khảo sát các quy trình hidroxit hóa, cacbonat hóa và phương pháp phối trộn dung dịch muối kim loại với dung dịch natri lactat được trung hòa từ axit lactic bằng $\text{NaOH}$.
• Phương pháp hóa học phân tích: Định lượng hàm lượng kim loại chuyển tiếp trong phức chất; kiểm tra độ tinh khiết và sự hiện diện của các ion tạo muối ban đầu ($\text{Cl}^-$, $\text{NO}_3^-$, $\text{SO}_4^{2-}$) bằng các phản ứng kết tủa và phản ứng tạo phức màu đặc trưng.
• Phương pháp đo độ dẫn điện phân tử: Đo độ dẫn điện phân tử ($\mu$) của dung dịch phức chất ở $25^\circ\text{C}$ nhằm xác định kiểu phân ly ion của phức trong dung dịch theo công thức $\mu = \frac{a \cdot 1000}{C}$ (trong đó $a$ là độ dẫn điện riêng, $C$ là nồng độ mol), kết hợp hiệu chỉnh ảnh hưởng của ion $\text{H}^+$: $\mu_{\text{hc}} = \frac{[\text{H}^+] \cdot 350}{C}$.
• Phương pháp đo phổ thực nghiệm: Đo phổ hồng ngoại (IR) dạng viên nén $\text{KBr}$ và phổ electron (UV-VIS) của phối tử cùng các phức chất tạo thành.
• Phương pháp hóa học tính toán (HyperChem): Sử dụng các phương pháp bán kinh nghiệm (Semi-empirical) PM3, ZINDO/1, ZINDO/S kết hợp với thuật toán tối ưu hóa hình học Polak-Ribiere để xác định cấu hình năng lượng cực tiểu, tính toán tần số dao động và bước sóng hấp thụ electron cực đại ($\lambda_{\max}$).

---

Nội dung chính theo từng chương

Phần A: Tổng quan

Chương này hệ thống hóa các tài liệu nghiên cứu trong và ngoài nước về phức chất lactat của kim loại chuyển tiếp, đồng thời trình bày nguyên lý các phương pháp phân tích:

1. Tình hình nghiên cứu phức chất lactat: Tổng thuật các công trình từ năm 1938 của S. Bhatnagar và Mohan Lal Khanna về tính thuận từ và giá trị Magneton Bohr của phức lactat coban, niken; nghiên cứu của Andrei Zeno và Bartes (1970) về phức $\text{Fe(III)}$ lactat tỉ lệ 1:1 ($\text{FeHL}^{2+}$ với hằng số cân bằng $K = 0{,}569 \pm 0{,}035$); nghiên cứu của J. Sarapu Allen về phổ IR và thông số tách trường tinh thể $Dq$; nghiên cứu của Larsson và Nunziata (1970) về hằng số bền của phức $\text{Co(II)-(+)}$-lactat.
2. Các phương pháp tổng hợp phức chất: Phân tích ưu nhược điểm của phương pháp hidroxit hóa (tạo kết tủa $\text{M(OH)}_n$), phương pháp cacbonat hóa (tạo kết tủa muối cacbonat bazơ) và phương pháp phối trộn trực tiếp dung dịch muối với phối tử đã trung hòa.
3. Các phương pháp nghiên cứu cấu trúc: Trình bày chi tiết lý thuyết đo độ dẫn điện phân tử; các nguyên tắc cơ bản của phân tích nhiệt (nguyên tắc tương ứng, nguyên tắc đặc trưng, ảnh hưởng của tốc độ nung theo hệ thức thời gian nung $t = k \cdot M$ với $k = 0{,}3$, ảnh hưởng của kích thước hạt và dạng chén nung parabol có chiều cao gấp 4 lần bán kính đáy); cơ sở lý thuyết phổ dao động và phổ electron.
4. Tổng quan về axit lactic: Cấu trúc lập phương, lịch sử tìm ra bởi Scheele (1780), tính chất vật lý (nhiệt độ nóng chảy đồng phân tinh khiết $52{,}8^\circ\text{C}$, dạng hỗn hợp racemic $17 - 33^\circ\text{C}$), tính chất hóa học và quy trình sản xuất công nghiệp từ lactonitril.
5. Ứng dụng phần mềm HyperChem: Khảo sát các trường lực cơ học phân tử ($\text{MM}+, \text{AMBER}, \text{BIO}+, \text{OPLS}$) và các phương pháp bán kinh nghiệm ($\text{CNDO}, \text{INDO}, \text{MINDO3}, \text{MNDO}, \text{AM1}, \text{PM3}, \text{ZINDO/1}, \text{ZINDO/S}$). Sau khi thử nghiệm trên nhiều hợp chất hữu cơ (axeton, axit axetic, axit lactic, axit malic, axit tactric, axit oxalic), tác giả xác định phương pháp PM3 kết hợp thuật toán tối ưu hóa Polak-Ribiere là tối ưu để tính phổ dao động. Kết quả so sánh vị trí vân phổ $\text{C=O}$ và $-\text{OH}$ giữa lý thuyết ($y$) và thực nghiệm ($x$) xác lập phương trình tương quan tuyến tính:

$$y = 1{,}088x + 120{,}94 \quad (R^2 = 0{,}9992)$$

Hợp chất / Phức chất	Phương pháp PM3 ($y$, $\text{cm}^{-1}$)	Tính toán hiệu chỉnh từ pt (*) ($x$, $\text{cm}^{-1}$)	Thực nghiệm ($x_{\text{thực}}$, $\text{cm}^{-1}$)
Axit lactic	$3848{,}19$	Phổ chuẩn đối chiếu	Trùng khớp hệ số $R^2$ cao
Coban(II) lactat	Vân $\text{C=O}$, $-\text{OH}$	Giá trị hiệu chỉnh theo pt (*)	Sai lệch không đáng kể
Niken(II) lactat	Vân $\text{C=O}$, $-\text{OH}$	Giá trị hiệu chỉnh theo pt (*)	Sai lệch do ngậm $\text{H}_2\text{O}$ kết tinh
Mangan(II) lactat	Vân $\text{C=O}$, $-\text{OH}$	Giá trị hiệu chỉnh theo pt (*)	Phù hợp với thực nghiệm

Đối với phổ electron, quy trình sử dụng bán kinh nghiệm PM3 hoặc ZINDO/S với cấu hình tương tác cấu tử kích thích đơn (CI Singly Excited) cho phép ghi nhận vạch $\lambda_{\max}$ của axit lactic, axeton và rượu etylic.

---

Phần B: Thực nghiệm và biện luận kết quả

Nội dung chương này trình bày chi tiết các bước tiến hành thực nghiệm tổng hợp 3 phức chất, khảo sát các yếu tố ảnh hưởng và phân tích các đặc trưng hóa lý:

1. Quy trình điều chế và khảo sát điều kiện tổng hợp

• Phức Coban lactat:

  • Hóa chất ban đầu: $\text{CoCl}_2 \cdot 6\text{H}_2\text{O}$ nồng độ $0{,}5\text{M}$ và dung dịch natri lactat $1{,}5\text{M}$ (điều chế từ axit lactic $85%, d = 1{,}209$ trung hòa bằng $\text{NaOH}$).
  • Điều kiện tối ưu: Khảo sát tỉ lệ mol $\text{Co}^{2+} : \text{lactat}$ từ $1:1$ đến $1:3{,}5$ trong thời gian khuấy từ 45 đến 120 phút. Điều kiện chọn để tổng hợp lượng lớn là thí nghiệm số 17 (kí hiệu $\text{CoLC3{,}0}$), tỉ lệ $1:3$, thời gian khuấy 90 phút ở nhiệt độ phòng.
  • Đặc điểm phân tách: Phức không tự tách mà phải dùng cồn $90^\circ$ theo tỉ lệ thể tích $1:3$. Không thể dùng cồn tuyệt đối hoặc đun nóng kết tinh lại vì ion $\text{Co(II)}$ dễ bị oxy hóa thành $\text{Co(III)}$ làm dung dịch chuyển sang màu nâu đen. Tinh chế bằng cách rửa nhiều lần với cồn $50^\circ, 70^\circ, 80^\circ$ và cồn tuyệt đối cho đến khi nước rửa thử với dung dịch $\text{AgNO}_3$ không còn vẩn đục kết tủa $\text{AgCl}$.

• Phức Niken lactat:

  • Hóa chất ban đầu: $\text{Ni(NO}_3)_2 \cdot 6\text{H}_2\text{O}$ nồng độ $1{,}28\text{M}$ và dung dịch natri lactat $3{,}84\text{M}$.
  • Điều kiện tối ưu: Tiến hành khuấy trên máy khuấy đũa (máy khuấy từ làm phức tạo màng nhầy không đồng nhất). Thời gian phản ứng tối ưu là 90 phút, cho phối tử vào ion trung tâm. Tách phức bằng cồn tuyệt đối tỉ lệ $1:3$.
  • Tinh chế: Rửa bằng cồn các nồng độ tăng dần, hòa tan lại trong nước cất đến bão hòa rồi cho cồn tuyệt đối ($1:3$) để kết tinh lại. Độ sạch của ion $\text{NO}_3^-$ được kiểm tra bằng phản ứng vòng nâu với muối Mohr ($\text{FeSO}_4 \cdot (\text{NH}_4)_2\text{SO}_4 \cdot 6\text{H}_2\text{O}$) và $\text{H}_2\text{SO}_4$ đậm đặc.

• Phức Mangan lactat:

  • Hóa chất ban đầu: $\text{MnSO}_4 \cdot \text{H}_2\text{O}$ nồng độ $1\text{M}$ và dung dịch natri lactat $3{,}5\text{M}$.
  • Điều kiện tối ưu: Thí nghiệm 24 ($\text{MnLD3{,}5}$) với thời gian khuấy 120 phút đạt hiệu suất tách kết tủa cao nhất.
  • Đặc điểm phân tách: Khác với phức Co và Ni, phức mangan tự tách ra khỏi dung dịch phản ứng trong quá trình khuấy. Tác giả không dùng cồn kết tủa trực tiếp từ dung dịch phản ứng vì muối $\text{MnSO}_4$ dư sẽ kết tủa theo. Phức rắn tự tách được lọc, rửa bằng cồn, hòa tan bão hòa trong nước và kết tinh lại bằng cồn tuyệt đối ($1:3$). Kiểm tra loại sạch ion $\text{SO}_4^{2-}$ bằng dung dịch $\text{BaCl}_2$.

2. Đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tạo phức

Yếu tố khảo sát	Ảnh hưởng đối với phức Coban lactat	Ảnh hưởng đối với phức Niken lactat	Ảnh hưởng đối với phức Mangan lactat
Nhiệt độ	Nhạy cảm với nhiệt; $\text{Co(II)}$ dễ bị oxy hóa thành $\text{Co(III)}$ màu nâu đen	Ổn định ở nhiệt độ phòng	Ổn định ở nhiệt độ phòng
Thời gian khuấy tối ưu	$90\text{ phút}$ (kéo dài bị phân hủy)	$90\text{ phút}$	$120\text{ phút}$
Môi trường ($\text{pH}$)	Axit yếu đến trung tính ($\text{pH } 5 - 7$)	Axit yếu đến trung tính ($\text{pH } 5 - 7$)	Axit yếu đến trung tính ($\text{pH } 5 - 7$)
Dung môi tách phức	Cồn $90^\circ$ (tỉ lệ $1:3$)	Cồn tuyệt đối (tỉ lệ $1:3$)	Tự tách, sau đó kết tinh lại bằng cồn tuyệt đối ($1:3$)
Tốc độ và thiết bị khuấy	Máy khuấy từ	Bắt buộc máy khuấy đũa	Máy khuấy từ
Thứ tự phối trộn	Cho phối tử vào ion trung tâm	Cho phối tử vào ion trung tâm	Cho phối tử vào ion trung tâm

3. Khảo sát cấu trúc và tính chất hóa lý

Các mẫu phức chất tinh khiết được phân tích thông qua:

• Quan sát hình thái vi tinh thể dưới kính hiển vi.
• Phân tích định lượng hàm lượng kim loại chuyển tiếp ($\text{Co}, \text{Ni}, \text{Mn}$).
• Đo độ dẫn điện phân tử để xác định số lượng ion phân ly trong dung dịch nước.
• Đo phổ hồng ngoại ($\text{IR}$) nhằm quy kết các vân dao động của liên kết phối trí $\text{M}-\text{O}$, nhóm cacboxylat đối xứng ($\nu_s \text{COO}^-$) và bất đối xứng ($\nu_{as} \text{COO}^-$).
• Đo phổ phân tích nhiệt ($\text{DTA}, \text{TG}, \text{DTG}$) xác định lượng nước phối trí/nước kết tinh và nhiệt độ phân hủy nhiệt của phức.

---

Phần C: Kết luận và đề xuất ý kiến

Tác giả tổng kết toàn bộ các kết quả đạt được về quy trình điều chế, các thông số tối ưu, công thức hóa học của các phức chất lactat tổng hợp được, đồng thời khẳng định giá trị ứng dụng của phần mềm HyperChem trong việc mô phỏng và hỗ trợ giải đoán phổ dao động phân tử.

---

Kết quả và đóng góp

Kết quả nghiên cứu chính

1. Xác lập quy trình tổng hợp ổn định: Đã tìm ra các điều kiện thực nghiệm thích hợp (nồng độ chất đầu, tỉ lệ mol, $\text{pH}$, thời gian khuấy, dung môi phân tách và phương pháp tinh chế) cho 3 phức chất kim loại chuyển tiếp $\text{Co(II)}, \text{Ni(II)}, \text{Mn(II)}$ với axit lactic.
2. Làm rõ đặc tính hóa lý của từng phức chất:
   • Phức Coban lactat nhạy cảm với sự oxy hóa khi có mặt cồn tuyệt đối hoặc nhiệt độ cao; tinh chế bằng phương pháp rửa phân đoạn với cồn $50^\circ - 80^\circ$.
   • Phức Niken lactat nhạy cảm với chế độ khuấy trộn cơ học; chứa phân tử nước kết tinh trong mạng tinh thể.
   • Phức Mangan lactat có khả năng tự kết tinh chậm từ dung dịch phản ứng sau 120 phút khuấy, cho phép tách chọn lọc khỏi muối sunfat ban đầu.
3. Đóng góp về phương pháp tính toán hóa học: Xây dựng thành công phương trình hiệu chỉnh tuyến tính giữa phổ dao động tính toán bằng HyperChem (bán kinh nghiệm PM3, tối ưu Polak-Ribiere) với phổ thực nghiệm ($y = 1{,}088x + 120{,}94; R^2 = 0{,}9992$), chứng minh khả năng ứng dụng công cụ tính toán lượng tử hỗ trợ thực nghiệm hóa vô cơ.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

• Hạn chế:
  • Mô hình tính toán HyperChem chưa mô phỏng đầy đủ phân tử nước kết tinh (như trong trường hợp phức Niken lactat) do chưa xác định chính xác vị trí liên kết không gian của $\text{H}_2\text{O}$ với nội cầu phức, dẫn đến sai lệch nhất định giữa tần số lý thuyết và thực nghiệm.
  • Phổ electron trên phần mềm HyperChem chưa thực hiện được các bước hiệu chỉnh toán học toàn diện do đòi hỏi thời gian tính toán lớn và tài nguyên bộ nhớ máy tính hạn chế tại thời điểm nghiên cứu.
  • Chưa sử dụng phương pháp nhiễu xạ tia X đơn tinh thể (Single-crystal XRD) để giải cấu trúc không gian ba chiều tuyệt đối của phức chất.
• Hướng nghiên cứu tiếp:
  • Hoàn thiện các tham số hiệu chỉnh cho phổ electron phân tử trên HyperChem.
  • Mở rộng khảo sát phức chất của axit lactic với các kim loại chuyển tiếp khác ($\text{Fe}^{3+}, \text{Cu}^{2+}, \text{Cr}^{3+}$).
  • Thử nghiệm ứng dụng thực tế các chế phẩm phức chất làm chất tạo màu trong men gốm sứ.

---

Giá trị tham khảo

Tài liệu là nguồn tham khảo hữu ích cho:

• Sinh viên, học viên chuyên ngành Hóa vô cơ, Hóa phân tích và Hóa lý thuyết - Hóa tính toán khi thực hiện các đề tài nghiên cứu về phức chất kim loại chuyển tiếp với hydroxyaxit.
• Các nhà nghiên cứu cần tài liệu quy trình thực nghiệm chi tiết về kỹ thuật điều chế, phân tách, tinh chế và kiểm tra độ sạch ion của các muối phức không bền nhiệt hoặc dễ bị oxy hóa.
• Người học muốn ứng dụng phần mềm HyperChem trong việc tối ưu hóa hình học phân tử và tính toán mô phỏng phổ dao động, phổ electron.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao không thể dùng cồn tuyệt đối hoặc đun nóng để kết tinh lại phức Coban lactat?

Khi hòa tan phức Coban lactat vào nước và thêm cồn tuyệt đối hoặc để trong thời gian dài, dung dịch nhanh chóng chuyển từ màu hồng sang hồng sẫm và cuối cùng là màu nâu đen. Hiện tượng này xảy ra do nhiệt tỏa ra khi tạo liên kết hydro giữa rượu và nước trong dung dịch đã thúc đẩy quá trình oxy hóa $\text{Co(II)}$ thành $\text{Co(III)}$. Do đó, phức coban bắt buộc phải tách bằng cồn $90^\circ$ và tinh chế bằng cách rửa nhiều lần với cồn các nồng độ ($50^\circ, 70^\circ, 80^\circ$) mà không qua đun nóng kết tinh lại.

2. Các phản ứng nào được sử dụng để kiểm tra độ sạch của các ion gốc muối ban đầu sau khi tinh chế phức?

• Phức Coban lactat (loại ion $\text{Cl}^-$): Thử dịch rửa bằng dung dịch $\text{AgNO}_3$, không xuất hiện kết tủa trắng $\text{AgCl}$.
• Phức Niken lactat (loại ion $\text{NO}_3^-$): Hòa tan mẫu phức, thêm dung dịch muối Mohr ($\text{FeSO}_4 \cdot (\text{NH}_4)_2\text{SO}_4 \cdot 6\text{H}_2\text{O}$) và cho $\text{H}_2\text{SO}_4$ đậm đặc chảy dọc theo thành ống nghiệm; không xuất hiện vòng màu nâu ở mặt phân cách.
• Phức Mangan lactat (loại ion $\text{SO}_4^{2-}$): Thử dịch hòa tan bằng dung dịch $\text{BaCl}_2$, không xuất hiện kết tủa trắng $\text{BaSO}_4$.

3. Tại sao khi tổng hợp phức Niken lactat tác giả lại sử dụng máy khuấy đũa thay cho máy khuấy từ?

Khi tiến hành điều chế phức Niken lactat trên máy khuấy từ, tốc độ khuấy cao làm cho sản phẩm tạo thành nhanh nhưng không đồng nhất; đồng thời cùng với phức dạng bột thì có một chất nhầy màu xanh bị tách ra bám dính. Để khắc phục hiện tượng này và thu được sản phẩm đồng nhất, tác giả đã chuyển sang sử dụng máy khuấy đũa với tốc độ khuấy thích hợp.

4. Phương trình tương quan tuyến tính giữa phổ dao động tính trên HyperChem và phổ thực nghiệm được xác lập như thế nào?

Tác giả sử dụng phương pháp bán kinh nghiệm PM3 và thuật toán tối ưu hóa Polak-Ribiere trên HyperChem để tính phổ dao động lý thuyết ($y$) cho hàng loạt hợp chất chuẩn (axeton, axit axetic, axit lactic, axit malic, axit tactric, axit oxalic), lấy vị trí vân dao động của nhóm $\text{C=O}$ và $-\text{OH}$ đối chiếu với phổ thực nghiệm chuẩn ($x$). Xử lý tương quan trên MS Excel cho hệ số tương quan $R^2 = 0{,}9992$ và phương trình hồi quy $y = 1{,}088x + 120{,}94$. Phương trình này dùng để quy đổi và dự đoán vị trí các vân phổ thực tế của các phức chất mới tổng hợp.

---

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Nguyễn Chí Linh đã hoàn thành việc nghiên cứu thực nghiệm điều chế và tinh chế 3 phức chất của kim loại chuyển tiếp hóa trị II ($\text{Co}^{2+}, \text{Ni}^{2+}, \text{Mn}^{2+}$) với phối tử axit lactic tại Khoa Hóa học, Trường ĐH Sư phạm TP.HCM. Đề tài đã khảo sát toàn diện ảnh hưởng của các yếu tố nhiệt độ, thời gian phản ứng, $\text{pH}$, tốc độ khuấy và dung môi phân tách để xác lập điều kiện tổng hợp tối ưu cho từng loại phức. Đồng thời, nghiên cứu đã chứng minh tính ứng dụng hiệu quả của phần mềm hóa tính toán HyperChem thông qua việc xây dựng phương trình tương quan toán học có độ tin cậy cao ($R^2 = 0{,}9992$) giữa phổ dao động lý thuyết và phổ thực nghiệm.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ BAO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA HOÁ ne KHOA LUẬN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN HOA HOC CHUYÊN NGÀNH: HOÁ VÔ CƠ DE FAI: VỚI AXIT LACTIC NGƯỜI HUONG DAN KHOA HỌC : TS LÊ PHI THUY NGƯỜI THỰC HIEN : NGUYÊN CHÍ LINN THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH THANG 5 NĂM 2006 “lăng hợp pluie chat cia Co, Wi, Man obi axit Lactic MUC LUC Trang CHU THICH CAC Ki HIEU DUNG TRONG LUẬN VĂN DANH MỤC CAC BANG VA CAC HÌNH MO DAU Phan A : TONG QUAN A. Tinh hình nghiên cứu phức chat của kim loại chuyển tiếp với axit lactic. Các phương pháp tổng hợp phức chắt.Phưng Phan BÌGIOEIEHÔN:cecaseseessrssrereoiiecceecoeerooedoooarooeo 8 A. Phuong pháp cacbonat hóa.

Phương pháp khác. Một số phương pháp nghiên cứu phức chất.TILL: Phương pháp hóa họC¿<:-:-::¿¿--<2. Phương pháp đo độ dẫn điện. Phương pháp phân tích nhiệt.

Phương pháp đo phô hap thụ phân tử.Wáqqd%vqddw0 19 ®- Tổng quanVề:mH[UMÍÌDccc¿ccc6662 261262102 20622G002021000Ä801646030000062 19 * Cấu tạo, lý tinh, hóa tinh và sản xuất hóa học. Sử dụng phần mềm HyperChem đo phố dao động và phô electron của các chất. 21 S00 GI a or ecnaccenensneansrnssenennssunpnsgncarsasanparentninentenyaees 21 % Sử dung phần mềm HyperChem do phổ dao động của các phân tử hữu cơ va phân tử phức chất. 24 4 Một số kết quả tỉnh toán phô đao động.

5c S211 <6<55225 Sử dụng phần mêm HyperChem đo phô electron. TS Lẻ Phí Thủy: Trang 1 SVTH: Nguyễn Chí Linh 2lng hep phite chất của Co, Wi, Mn obi axit Lactic Phần B : THỰC NGHIEM VA BIEN LUẬN KET QUA B:E Vinge: nGhÌIỆNN::(02942000220602202222000C02GGSCGGa506005524600 0.L1: Dibu chế các phí chẪU::¿c:-«ccccczcccccccisccc200A0122/n0/0026010236/2a 34 B. Quan sát bên ngoài các phức chất. Phân tích hàm lượng các nguyên tô trong phức chắt.

Do độ dẫn điện các phức chất. - -- - - SE vs 50 B15: Phần Gh obit ais cs Gas 0 00G 6 66ã6464164686101441%G 816 51 B. Do phé hap thụ hồng ngoại các phức chất. Do phé electron các phức Chat.

ý 5 ics sis caxapanmsnnsawaevennzanmaaaanowpeyaumasanniecuauiieencarinns 55 B. Hàm lượng coban, nicken, mangan. Độ dẫn điện các phức Chat. Phân th phÌN (1262020 0646006635266015664000661zerkosé 57 BAILA.

Phố hip thy: hồng ned s66 aS 59 BS Phố Chet ssissiiscccassesemsnecostesctsesce nee ectapnaapiecnc eR 2445032160 B. Xác định công thức phân tử va dự đoán công thức cấu tạo. 61 Phan C: KET LUAN VA DE XUAT CUE ER KiỆN::c¡:t(::c2 00:2 t21000211011G202ã1000100000/66104/80244010068 68 II BB đÊGieccocctniunoiccrocGioodinoocvi2ixittscb03481591681/000144sà4 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC GVHD: TS Lẻ Phí Thủy Trang 2 SVTH: Nguyễn Chí Linh Cấng hep pluie chit của Oo, Wi, Mn ođi axit Lactic CHU THICH CAC Ki HIEU DUNG TRONG LUAN VAN CoLA|: mẫu thí nghiệm cho dung dich axit lactic vio dung dich CoC]; với thời gian khảo sat 45 phút va ti lệ Co”: axit lactic là 1 | CoLAI.Š: mẫu thí nghiệm cho dung dich axit lactic vào dung dịch CoC|; với thời gian khảo sat 45 phút và tỷ lệ Co": axit lactic la l-.5 CoLal: mẫu thí nghiệm cho dung dịch CoCl; vào dung dịch axit lactic với thời gian khảo sát 45 phút và tỷ lệ Co?": axit lactic 1 a 1:1 NiLBI: mẫu thí nghiệm cho dung dich axit lactic vào dung dịch Ni(NO)); với thời gian khảo sát 60 phút và tỷ lệ NiÊ”: axit lactic là 1:1 NiLc2: mẫu thí nghiệm cho dung dich NI(NO¡¿); vào dung dich axit lactic với thời gian khảo sát 90 phút va tỷ lệ Ni**: axit lactic là 1:2 MnlL d3: mẫu thí nghiệm cho dung dich MnSO, vào dung dịch axit lactic với thời gian khảo sát 120 phút và ty lệ MnŸ” : axit lactic là 1:3 đả: dung dịch. GVHD: TS Lê Phí Thúy Trang 3 SVTH: Nguyễn Chi Linh “ñấng lợp pluie chat của Co, Wi, Mn nđi axit Lactic DANH MỤC CAC BANG VA CAC HÌNH Bang 1: Kết quả thực tế và lý thuyết sau khí được hiệu chính bằng phương trình (*).

Bang 2: Điều kiện tổng hợp phức coban lactat khi tiến hành cho phối tử vào ion trung tắm. Bang 3: Điều kiện tông hợp phức coban lactat khi tiến hành cho ion trung tâm vào phối tứ Bang 4: Điều kiện tông hợp phức nicken lactat khi tiến hành cho phối tử vào ion trung tam. Bang 5: Điều kiện tổng hợp phức nicken lactat khi tiến hành cho ion trung tâm vào phối tử. Bang 6: Diéu kiện tông hợp phức mangan lactat khi tiến hành cho phối tử vào ion trung tâm.

Bảng 7: Điều kiện tông hợp phức mangan lactat khi tiến hành cho ion trung tâm vào phối tử. Bang 8: Ham lượng các nguyên tổ va công thức phân tử của các phức nghiên cửu. Bảng 9: Kết quả đo độ dẫn điện của các phức nghiên cứu. Bảng 10: Kết quả phân tích nhiệt của các phức nghiên cứu.

Bang 11: Quy kết một số vân phô IR quan trọng của phối từ và các phức chất. Bang 12: Một số van hap thụ trên phé electron của phối tử và phức chat. Hình 1: Phé đao động của axit lactic. Hình 2: Phổ đao động của coban lactat.

Hinh 3: Pho dao động của nicken lactat. Hình 4: Pho đao động của mangan lactat. Hinh 5: Phé electron của axit lactic. Hình 6a: Khôi lượng phức coban thu được khi cho phối tử vao ion trung tâm.

Hinh 6b: Khối lượng phức coban thu được khi cho ion trung tâm vào phối tử. Hình 7a: Khối lượng phức nicken thu được khi cho phối tử vào ion trung tâm. Hình 7b: Khối lượng phức nicken thu được khi cho ion trung tâm vào phôi tử. Hình 8a: Khôi lượng phức mangan thu được khi cho phối tử vào ion trung tâm.

Hình 8b: Khôi lượng phức mangan thu được khi cho ion trung tâm vào phối tử. Hinh 9: So sánh hình dạng. mau sắc của các mudi ban đầu và phức tạo thành. GVHD: TS Lê Phi Thủy Trang 4 SVTH: Nguyễn Chi Linh “Tăng hop plhite chat của Co, Wi, Ma ođi axit Lactic Ở bầu Hóa học của phức chất từ lâu là dé tài được các nhà hóa học quan tâm boi tính hap dan của nó vẻ mat lý thuyết lẫn thực nghiệm.

Khi nghiên cửu các phức chat, các nha hóa học đã phát hiện ra nhiều vấn dé ve liên kết hỏa học, cấu trúc không gian,.v6n là van dé phức tạp, chưa có học thuyết nào dé cập một cách day du, trọn vẹn. Do đó, quá trình nghiên cứu các phức chat đã góp phan bô sung, mở rộng và làm phong phú thêm cho lý thuyết hóa học. Riêng các phức chất của kim loại chuyên tiếp với axit hữu cơ cũng được quan tâm nghiên cứu và tìm được ứng dụng trong thực tế. Cụ thé, lợi dụng tinh có mau va khả năng thắm sâu của các chế phẩm phức, người ta dùng các phức này làm chất tạo màu trong công nghiệp gốm sứ.

Ở Việt Nam hiện nay, nhìn chung vẫn phải nhập nguyên liệu từ nước ngoài, cho nên các phức chất này cần được nghiên cứu sâu sắc hơn nữa dé có thé đưa vào ứng dụng thực tế sao cho phù hợp với điều kiện của nước nhà. Với mong muốn được hiểu thêm về thực nghiệm hóa học nói chung va hóa học phức chất nói riêng, tôi đã chọn đề tài này với mục đích sau: ¢ Tim diéu kiện tổng hợp các phức của coban, nicken, mangan với axit lactic. e© Xác định công thức phân tử, dự đoán công thức cấu tạo và nghiên một số tính chất của các phức nói trên. ¢ Dùng phân mém HyperChem dé đo phô dao động, phổ electron của các phức chất, đồng thời bước đầu xem xét kha năng đo phế của phản mem nay.

GVHD: TS Lé Phi Thiy Trang § SVTH: Nguyễn Chi Linh TFéng hep piuức chat của Co, Wi, Mn odi axit Lactic \ PHAN A TONG (II GVHD: TS Lê Phi Thủa Trang 6 SƯTH: Nguyễn Chi Linh Tédug lợp phite chat cúa Co, Wi, Mn ođi axit Lactic A. TINH HÌNH NGHIÊN CUU PHUC CHAT CUA KIM LOẠI CHUYEN TIẾP VỚI AXIT LACTIC: * Nhin chung, các phức chat với phối tử là axit lactic đã được nghiên cứu từ rat sớm. Tuy nhiên, quá trình tông hợp rat ít tải liệu nói đến. Người ta nghiên cứu các tính chat vả ứng dụng của phức nay trong thực tế là chủ yếu, cỏ thể kẻ đến một số công trình nghiên cửu sau: v Năm 1938, S.

Bhatnagar, Mohan Lal Khanna đã nghiên cứu tinh thuận từ của của các phức acetat, oxalat, lactat, thioxianat, xianat, tactrat, xitrat, benzoat cua coban, nicken trong khoảng nhiệt độ từ 300- 425°K va cho biết gia trị Magneton Bohr của các phức chất đó [14]. Năm 1970, Andrei Zeno; Bartes, Adrianato đã tổng hợp Fe(III) lactat bảng cách trộn dd Fe(ClO,); với dung dich axit lactic khi có mặt của HCIO, 0,1M, thu được phức 1:1 có công thức FeHL”” và hing số cân bang của phản ứng tạo phức ở 25°C là 0,569+0,03§. Ngoài ra, quang phô của phức này cũng được khảo sát [ 13]. J, Sarapu Allen và cộng sự đã nghiên cứu cau trúc các phức ran của kim loại hóa trị II với axit glicolic, axit lactic và axit mandelic va đã nghiên cứu phổ IR, phô electron, tác dụng của tia X lên các phức ở dạng bột.

Từ phỏ electron, giá trị Dq ứng với từng phối tử được xác định và so sánh với nhau [I5]. Năm 1970, Saito, Nobulusa; Tominaga, Takeshi; Morimoto, Takeshi nghiên cứu quang phô của phức Fe(II) lactat, malat, xitrat khi chiếu xạ và không chiếu xạ. Kết quả, khi chiếu xạ thi hợp chất Fe(III) bị khử thành Fe(II) [22].L đã nghiên cửu khoảng pH tôn tại của các phức chat Cu(II), Al(1), Zr(IV)-laetat và đo được hằng số bén của các phức nay |2! |. Nam 1970, Larsson, Ragna ; Nunziata, Gennaro xác định hang số ben của phức Co(I1)-(+)-lactat trong dung dich bằng phương pháp điện thé va phân cực [20].- TS Lê Phi Thủy Trang 7 SƯTH: Nguyễn Chi Linh Sống hep pluie cuất cia Co, WG, Ân odi axit Lactic A.

CÁC PHƯƠNG PHAP TONG HOP PHUC CHAT [11]: Đối với các phức chat của ion kim loại va phối tử là axit hữu cơ, nhìn chung có thê tông hợp theo các cách sau: A. Phương pháp hidroxit hóa: e Cho muối tan chứa ion kim loại cân nghiên cứu tác dụng với dd NH; hay dd NaOH để chuyển toàn bộ kim loại trong muỗi thành kết tủa M(OH),. Sau đó rửa kết tủa với nước cất đến không còn các ion lạ. Dem kết tủa sấy khô ở nhiệt độ thích hợp, thu được M(OH), rắn tỉnh khiết.

Dùng axit hữu cơ vừa đóng vai trò là phối tử, vừa đóng vai trò là chất phá hủy hidroxit kim loại. Cho thêm một chất có tính kiềm dé điều chỉnh pH phù hợp, khuấy dung dịch thu được trong thời gian thích hợp rồi cho dung môi vào để tách phức chat ra khỏi dung dịch. Quá trình trên có thé được mô tả bằng sơ dé: NaOH M" < >— M(OH), —> — Phức chất Phối tủ Ni, © Phương pháp trên có ưu điểm 1a: phức thu được rat tinh khiết có thể không cần kết tinh lại, nhưng mắt nhiễu thời gian dé rửa lượng hidroxit ban dau.