金属を99%錯体にするには?―自由なLから投入総量を逆算する

分析化学
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金属Mを含む水溶液で、全金属の99%以上を錯体MLへ入れたいとします。全金属1.00 mM、生成定数1.00×104 L/molのとき、用意するLの最小の全濃度は何mMでしょうか。

目標の99%から、必要な自由Lを求め、錯体へ入るLを足します。答えは10.890 mM。自由L9.90 mMと、結合L0.990 mMの合計です。最終体積100.0 mLなら、用意するLは1.0890 mmolになります。

全金属濃度 CM = [M]+[ML] = 1.00 mM
Kc = [ML]/([M][L]) = 1.00×104 L/mol
目標分率 f = [ML]/CM が0.990以上
1 mM = 10−3 mol/L

濃度はすべて混合後の同じ最終体積に対する値です。この問題ではMとLが一つずつ結んだMLを扱い、Kcは以下の濃度モデルに与えた値として使います。

ペンタとイコールがノートを前に必要な配位子量を相談している。
欲しい錯化割合を先に決めたら、Lはいくら必要でしょうか。自由に残すLと、錯体に入るLを分けて考えます。

1.「99%」は、全金属を分母にした割合

同じ温度・溶媒で、M+L⇌MLだけを考えます。Lは中性の一座配位子、MとMLはそれぞれ金属一つを含みます。MはLに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の電荷をz+とすればMLもz+です。ほかの錯体、Lの酸塩基反応、沈殿は含めない教材モデルです。

角括弧は各化学種の平衡濃度です。[L]は自由なLの濃度で、投入した全Lではありません。Kcは一定の溶液条件で濃度から定義する定数で、L/molの単位を持ちます。活量で定義する無次元の熱力学的定数と区別し、数値はこの濃度モデルの教材用与件として使います。

まず目標の境界、f = 0.990を考えます。全金属1.00 mMの99%がML、残り1%が自由なMです。

[ML] = 0.990×1.00 = 0.990 mM
[M] = (1−0.990)×1.00 = 0.010 mM
[ML]/[M] = 0.990/0.010 = 99
ペンタ

99%にしたいなら、金属1.00 mMの99%、Lを0.990 mM入れればよい?

イコール

0.990 mMは錯体へ入るLの量です。平衡でMLを保つには自由なLも残す必要があるので、それを別に求めます。

ペンタ

結合Lだけでは足りないなら、残す自由Lの量はどう決めるの?

イコール

99%ではMLが0.990、自由Mが0.010 mMです。その比99を平衡式が満たすように自由Lを決めます。入れる全Lを決める前に、平衡で残す自由Lを逆算するのです。

2.錯体と自由金属の比から、必要な自由Lを求める

ここで平衡式を使います。金属の内訳0.990と0.010 mMだけでは、必要な自由Lはまだ決まりません。Kc = [ML]/([M][L])の両辺に[L]を掛けると、[ML]/[M] = Kc[L]です。左の目標比が99なら、右も99になるように[L]を求めます。

99 = Kc[L]
[L] = 991.00×104 L/mol
= 0.00990 mol/L = 9.90 mM

99は濃度同士の比で単位を持ちません。それをL/molで割るとmol/Lになります。9.90 mMは自由に残すLであり、まだ必要な投入総量ではありません。

3.自由Lに、MLへ入ったLを足す

MLは金属とLを1:1で含みます。MLが0.990 mMなら、結合Lも0.990 mMです。Lの全量は自由なLと結合したLの和なので、両方を足します。

CL,T = [L]+[ML]
= 9.90+0.990 = 10.890 mM
99%錯化の境界で自由L9.90mMと結合L0.990mMを積み上げ、総L10.890mMを求める。
図1|青は自由なL、橙はML中のLです。棒の長さは同じ濃度尺度です。MLへ入れる0.990 mMに加えて、平衡を保つ9.90 mMが自由に残ります。値は教材与件を用いた計算値です。

濃度はすべて混合後の同じ最終体積に対する値です。たとえばこの組成を最終体積100.0 mL = 0.1000 Lで考えると、必要なLは10.890 mmol/L×0.1000 L = 1.0890 mmolです。自由なLが0.9900 mmol、結合Lが0.0990 mmolになります。添加による体積変化を無視して、原液の濃度とこの総濃度を同一視しません。

ペンタ

自由Lの9.90 mMを入れれば、その濃度で残ると思った。なぜ足りないの?

イコール

そのうち0.990 mMをMLへ使うなら、自由に残るのは8.91 mMです。9.90 mMの自由Lと0.990 mMの結合Lを同時に持つには、合計10.890 mMが必要です。

ペンタ

合計が10.890 mMなら、本当に99%になるか確かめられる?

イコール

金属側は0.010+0.990 = 1.00、L側は9.90+0.990 = 10.890 mMです。平衡式もKc[L] = 10000×0.00990 = 99で、ML/Mの比99に一致します。両方の全量と平衡を同時に満たすので、ちょうど99%です。

4.9.90 mMだけ入れた案を、目標へ戻して検査する

Lの投入総濃度を9.90 mMとする案で、MLを0.990 mMにできると仮定しましょう。金属側は自由M0.010 mM、L側は自由L8.91 mMになります。これを平衡式へ戻すと一致しません。

目標が要求する比:[ML]/[M] = 99
残せる自由Lからの比:Kc[L]
= (1.00×104 L/mol)×(0.00891 mol/L) = 89.1

左99と右89.1が違うので、この組成は平衡になりません。「自由濃度として必要な値」を「投入総量」と読み替えたためです。一方、10.890 mMの案では、金属0.010+0.990 = 1.00 mM、L9.90+0.990 = 10.890 mMで、平衡比99も一致します。

「9.90 mMだけ用意すればよい」という案は、必要な総量10.890 mMより0.990 mM、約9.09%少ない案です。Lの大半が自由でも、目標が99%以上なら結合Lを足す必要があります。少しの不足を認める濃度の近似と、99%という目標を満たす判断は別に確かめます。

もう一歩:全Lを9.90 mMだけ用意すると、実際は何%?

錯体の濃度をx mMとすると、自由Mは1.00−x、自由Lは9.90−x mMです。Kcを10.0 L/mmolへ換算して、両方の残量を平衡式へ入れます。

x = 10.0(1.00−x)(9.90−x)
10.0x2−110x+99.0 = 0
x = 110−√814020.0 ≈ 0.988903 mM
自由M ≈ 0.0110974 mM、自由L ≈ 8.91110 mM
錯化割合 = x/(1.00 mM)×100 ≈ 98.8903%

もう一つの根は全金属1.00 mMを超えて残量を負にするので使いません。計算した割合は99%を下回ります。表示を丸める前の値で目標と比較します。

5.なぜこれが「最小」なのか。100%ならどうなるか

割合をfと置くと、錯体と自由金属の比はf/(1−f)です。目標fを指定したときの総Lは次の式になります。

[L] = fKc(1−f)
CL,T = fKc(1−f) + fCM

0 ≤ f < 1の範囲でfを増やすと、f/(1−f)も結合量fCMも増えます。したがって総Lも増えます。99%以上という条件を満たす最小は、その境界f = 0.990で、10.890 mMです。このモデルと与件の中での下限です。副反応や活量変化がある系では、その条件に合う平衡式と物質収支で必要量を求め直します。

同じ全金属1.00mMとKc10000L/molで、90%は総L1.800mM、99%は10.890mM、99.9%は100.899mM。
図2|それぞれ自由Lと結合Lを足しています。99%から99.9%へ目標を厳しくすると、結合量の増加は小さくても、自由Lが大きく増えます。各枠は数値表で、枠の面積は濃度を表しません。
ペンタ

99.9%でも十分大きな量だね。100%も、もう少し足せば達する?

イコール

有限のKcと有限の自由Lでは、f = Kc[L]/(1+Kc[L])が1より小さくなります。目標を1へ近づけると、必要な自由Lは限りなく増えます。

ペンタ

計算で99.9%を四捨五入して100%と表示したら?

イコール

表示を丸めても自由Mは残ります。このモデルで厳密に100%になることと、測定や表示の桁では残りが見えないことを分けます。

6.逆算を自分で確かめる

問1 同じ全金属1.00 mM、同じKcで、95%以上をMLにする最小の総Lはいくつですか。

解答:錯体/自由金属の比 = 0.95/0.05 = 19
自由L = 19/(1.00×104) mol/L = 1.90 mM
結合L = 0.950 mM → 最小総L = 1.90+0.950 = 2.850 mM
検算:[ML]/[M] = 0.950/0.050 = 19 = Kc[L]

問2 全金属を2.00 mMに変え、ほかの条件は同じとして99%以上を目標にします。必要な自由Lと、最小の投入総Lは主例の2倍になりますか。

解答:自由Lは比99を満たす9.90 mMのままです。
結合Lは0.990×2.00 = 1.980 mM。
最小総L = 9.90+1.980 = 11.880 mMで、主例の2倍ではありません。
問2の検算:自由M = 2.00−1.980 = 0.020 mM
金属:0.020+1.980 = 2.00 mM
L:9.90+1.980 = 11.880 mM
[ML]/[M] = 1.980/0.020 = 99 = Kc[L]

7.目標の割合から、残す量と結合する量を求める

まず99%の分母である全金属を、MLと自由Mに分けます。次にML/自由Mの比を平衡式へ入れて自由Lを求めます。最後に1対1で結合するLを足し、全Lにします。答えを金属とLの両収支・平衡式へ戻し、最終体積を掛ければ必要な物質量まで求められます。

参考資料

生成定数と自由種の濃度は、David Harvey『Analytical Chemistry 2.1』6.4、Metal-Ligand Formation Constants。成分収支と元の条件への検算は6.7、A Systematic Approach to Solving Equilibrium Problemsを参照しました。本稿の目標分率から総量へ逆算する主例、図、比較と問題は、教材モデルから独立に導出しています。

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