金属Mを含む水溶液に、二種類の配位子LとXがあります。平衡時の自由なLが0.0500 mM、自由なXが2.00 mM、金属の全濃度が0.0900 mMなら、自由なM、錯体ML、錯体MXはそれぞれ何mMでしょうか。
二つの平衡式から三種の濃度比を作り、金属の全量をその比で分けます。答えはMが0.0100 mM、MLとMXが各0.0400 mMです。そのあと、各錯体の割合が44.4%にも50%にもなる理由を、数える対象から確かめます。
ここで与えた[L]と[X]は、平衡で結合せずに残っている濃度です。全濃度は混合後の同じ溶液体積に対する値で、1 mM = 1 mmol/Lです。二つの生成定数は、以下のモデルに与えた計算用の値です。

1.二つの平衡が、同じ自由なMを共有する
同じ温度・溶媒条件で、金属を含む種はM、ML、MXの三つだけとする教材モデルです。LとXは中性の一座配位子で、金属に結びつく部位を一つ持ちます。MはLにもXにも結合していない金属種の略記で、水和した水分子は省きます。Mの電荷がz+ならML、MXもz+です。水和の基準をそろえ、酸塩基反応、沈殿、ML2やMLXなどは含めません。
角括弧は各化学種の平衡濃度です。二つの分母にある[M]は同じ自由な金属濃度です。KL,c、KX,cは一定の溶液条件で濃度から定義する生成定数で、単位はL/molです。活量で定義する無次元の熱力学的定数とは区別します。冒頭の与件は、この濃度モデルへ適用します。
ここでは平衡時の自由濃度を与えています。LとXをそれぞれこの濃度だけ投入した、という指定ではありません。全配位子濃度が与えられた問題なら、自由な量と結合した量の収支から[L]、[X]を求める必要があります。主例の自由濃度を保つために必要な総量は、後で足し戻します。
2.定数に自由濃度を掛けた「重み」を読む
生成定数の式を直すと、[ML]/[M] = KL,c[L]、[MX]/[M] = KX,c[X]です。それぞれの積をwL、wXと置きます。これは自由なMに対する、各錯体の濃度比です。(L/mol)×(mol/L)で単位が消えるので、重みは無次元になります。

ペンタLの定数が40倍なら、MLもMXの40倍できるのでは?
イコール自由な配位子濃度も掛けます。ここではLがXの1/40しかないので、40×1/40 = 1。二つの錯体の濃度は同じです。
ペンタじゃあ自由Lと自由Xも同じなら、MLはMXの40倍になる?
イコールこの三種だけのモデルで両自由濃度が同じなら、[ML]/[MX]は定数比の40です。ただし全金属の何%がMLかを求めるには、自由なMも分母へ含めます。
3.全金属を9等分して、濃度を求める
M、ML、MXには、それぞれ金属が一つずつ入っています。したがって金属の全量は、三種の濃度を足して数えます。[ML]を4[M]、[MX]を4[M]へ置き換えると、全体は[M]+4[M]+4[M] = 9[M]です。比が1:4:4なら、全量0.0900 mMを9等分した1区画が自由なM、4区画ずつがMLとMXになります。
合計は0.0100+0.0400+0.0400 = 0.0900 mMで、与えられた金属総量へ戻ります。全金属に対する分率fは、各種の濃度をCMで割ったものです。
4.錯体だけを分母にすると、50%ずつになる
「MLとMXは半分ずつ」という答えも、対象を明確にすれば正しい場合があります。錯体になっている金属だけを数えると、その合計は[ML]+[MX] = 0.0800 mMで、自由Mの0.0100 mMを含みません。

ペンタMLもMXも0.0400 mMだから、各50%と書いたら間違い?
イコール「錯体に入った金属のうち」なら各50%です。「全金属のうち」なら自由Mも入るので、各4/9、約44.4%です。
ペンタ分母からMを除いたら、Mは液からなくなるの?
イコールMは0.0100 mMのまま存在します。数えたい対象を錯体に絞っただけです。対象を変える操作と、溶液の中身が変わる操作を区別します。
全金属中のMLを求めたいのに、自由Mを無視して「50%」と近似するとどうでしょう。正しい分率4/9に対して、相対誤差は(1/2−4/9)/(4/9)×100 = +12.5%です。たとえば相対誤差1%以内という目的なら、この例では自由Mを省けません。錯体中だけの50%は近似ではなく、別の問いへの正しい割合です。
5.自由濃度と総量を、式に戻して確かめる
二つの生成定数へ、三種の濃度と与えられた自由濃度を戻します。計算はmol/Lへ統一します。
どちらも指定の定数に合います。次にLとXの全量を足し戻します。ML一つはL一つ、MX一つはX一つを含むため、各総濃度は自由量とその錯体濃度の和です。

主例では「自由濃度は既知」なので、金属の収支から組成を決め、後から総L・総Xを求められました。反対に総L・総Xが既知なら、錯形成で自由濃度が減ることを収支へ含めます。総Lを[L]へ直接入れる計算には戻りません。
6.自由Xを変えた別試料で確かめる
問1 同じ生成定数と全金属0.0900 mMを使います。自由な[L]は0.0500 mMのまま、自由な[X]が1.00 mMの別の平衡試料では、M、ML、MXの濃度、全金属分率、錯体だけのML分率はいくつでしょう。
濃度の丸め前には合計が正確に0.0900 mMです。ML/MXは2となり、定数比40×自由濃度比0.0500/1.00 = 2とも一致します。
問2 問1を「主例へ水を加えて、自由Xを半分にしただけ」と説明してよいでしょうか。必要な総L、総Xも計算してください。
主例の総Lは0.0900 mMでしたが、問1では約0.101 mMが必要です。「自由なXを変え、自由なLと全金属を保つ」という条件は、単純な希釈とは違う試料指定です。
ペンタXが半分になったなら、主例を2倍に薄めたことになる?
イコール問1では全金属と自由Lを元の値に保っています。水を加えるだけでは全金属も薄まり、この指定にはなりません。
ペンタ条件を保つには、配位子の総量も変えるの?
イコールはい。問1ではMLが増えるので、そのLも供給する必要があります。自由Lの0.0500に結合L約0.0514を足し、総Lは約0.101 mMになります。
7.次の問題でも、比から全量を分ける
自由な配位子濃度が分かっているときは、Kにその自由濃度を掛け、自由Mに対する各錯体の比を作ります。比を全部足した値で全金属を割れば自由M、そこへ各重みを掛ければ各錯体です。最後に全量と生成定数へ戻し、割合の分母に自由Mを含めるかを、問われた対象に合わせて決めます。
参考資料
生成定数と自由な化学種は、David Harvey『Analytical Chemistry 2.1』6.4、Metal-Ligand Formation Constants。全金属を各種へ数え上げる収支は6.7、A Systematic Approach to Solving Equilibrium Problems。配位子が競合して自由金属の分率へ影響することは9.3、EDTA Competes With Other Ligands、式9.5・9.6を参照しました。本稿の中性一座二配位子モデル、数値配分、図と確認問題は教材用の独立計算です。


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