稳定常数的表达式
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稳定常数指络合平衡的平衡常数。通常指络合物的累积稳定常数,用K稳表示。例如:对具有相同配位体数目的同类型络合物来说,K稳值愈大,络合物愈稳定。配合物的稳定性,可以用生成配合物的平衡常数来表示。K稳值越大,表示形成配离子的倾向越大,此配合物越稳定。所以配离子的生成常数又称为稳定常数。
稳定常数
配合物在溶液中的生成与离解,与多元酸、碱相似,也是分级进行的,而且各级离解或生成常数也不一样。例如,Cu2+与NH3逐步配合过程中的分步稳定常数(30℃)分别为:
K1,K2,K3,K4称为逐级稳定常数。由上可见,配合物的逐级稳定常数随着配位数的增加而下降。一般认为,随着配位体数目增多,配位体之间的排斥作用加大,故其稳定性下降。
配合物的逐级稳定常数和稳定常数间有下述关系:
K= K1·K2·K3·K4…Kh
对[Cu(NH3)4]2+来说,其稳定性k 为:
K= K1·K2·K3·K4
K=(1.41×104)(3.17×103)(7.76×102)(1.39×102)=4.8×1012
不稳定常数
在水溶液中,[Ag(NH.3)2]+是稳定的,不过像其他弱电解质一样也有少数[Ag(NH.3)2]+发生离解,可用下式表示:
则平衡常数表达式为:
K不稳值愈大,表示配离子离解愈多,故称K不稳为配离子的不稳定常数。
K稳和K不稳互成倒数:
金属离子Mn+和配位体A-生成配离子MA(n-x)+x,在水溶液中存在如下平衡:
根据平衡移动原理,改变Mn+或A-的浓度,会使上述平衡发生移动。若在上述溶液中加入某种试剂使Mn+生成难溶化合物,或者改变Mn+的氧化状态,都会使平衡向左移动。若改变溶液的酸度使A-生成难离解的弱酸,也可使平衡向左移动。
配合平衡同样是一种相对的平衡状态,它同溶液的PH值、沉淀反应、氧化还原反应等都有密切的关系。
(一)与酸度的关系
根据酸碱质子理论,所有的配位体都可以看作是一种碱。因此,在增加溶液中的H+浓度时,由于配位体同H+结合成弱酸面使配合平衡向右移动,配离子平衡遭到破坏,这种现象称为酸效应,例如:
配位体的碱性愈强,溶液的PH值愈小,配离子愈易被破坏。
金属离子在水中,都会有不同程度的水解作用。溶液的PH值愈大,愈有利于水解的进行。例如:Fe3+在碱性介质中容易发生水解反应,溶液的碱性愈强,水解愈彻底(生成Fe(OH)3沉淀)。
因此,在碱性介质中,由于Fe3+水解成难溶的Fe(OH)3沉淀而使平衡向右移动,因而[FeF6]3-遭到破坏,这种现象称为金属离子的水解效应。
稳定常数
配合物在溶液中的生成与离解,与多元酸、碱相似,也是分级进行的,而且各级离解或生成常数也不一样。例如,Cu2+与NH3逐步配合过程中的分步稳定常数(30℃)分别为:
K1,K2,K3,K4称为逐级稳定常数。由上可见,配合物的逐级稳定常数随着配位数的增加而下降。一般认为,随着配位体数目增多,配位体之间的排斥作用加大,故其稳定性下降。
配合物的逐级稳定常数和稳定常数间有下述关系:
K= K1·K2·K3·K4…Kh
对[Cu(NH3)4]2+来说,其稳定性k 为:
K= K1·K2·K3·K4
K=(1.41×104)(3.17×103)(7.76×102)(1.39×102)=4.8×1012
不稳定常数
在水溶液中,[Ag(NH.3)2]+是稳定的,不过像其他弱电解质一样也有少数[Ag(NH.3)2]+发生离解,可用下式表示:
则平衡常数表达式为:
K不稳值愈大,表示配离子离解愈多,故称K不稳为配离子的不稳定常数。
K稳和K不稳互成倒数:
金属离子Mn+和配位体A-生成配离子MA(n-x)+x,在水溶液中存在如下平衡:
根据平衡移动原理,改变Mn+或A-的浓度,会使上述平衡发生移动。若在上述溶液中加入某种试剂使Mn+生成难溶化合物,或者改变Mn+的氧化状态,都会使平衡向左移动。若改变溶液的酸度使A-生成难离解的弱酸,也可使平衡向左移动。
配合平衡同样是一种相对的平衡状态,它同溶液的PH值、沉淀反应、氧化还原反应等都有密切的关系。
(一)与酸度的关系
根据酸碱质子理论,所有的配位体都可以看作是一种碱。因此,在增加溶液中的H+浓度时,由于配位体同H+结合成弱酸面使配合平衡向右移动,配离子平衡遭到破坏,这种现象称为酸效应,例如:
配位体的碱性愈强,溶液的PH值愈小,配离子愈易被破坏。
金属离子在水中,都会有不同程度的水解作用。溶液的PH值愈大,愈有利于水解的进行。例如:Fe3+在碱性介质中容易发生水解反应,溶液的碱性愈强,水解愈彻底(生成Fe(OH)3沉淀)。
因此,在碱性介质中,由于Fe3+水解成难溶的Fe(OH)3沉淀而使平衡向右移动,因而[FeF6]3-遭到破坏,这种现象称为金属离子的水解效应。
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计算过程如下:首先,计算4个数值的和:∑Xs = 0.3 + 0.2 + 0.4 + 0.1 = 1然后,计算 lg-1(∑Xs/4):lg-1(∑Xs/4) = lg-1(1/4) = -1其中,lg表示以10为底的对数,即 log10。...
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稳定常数
配合物在溶液中的生成与离解,与多元酸、碱相似,也是分级进行的,而且各级离解或生成常数也不一样。例如,Cu2+与NH3逐步配合过程中的分步稳定常数(30℃)分别为:
K1,K2,K3,K4称为逐级稳定常数。由上可见,配合物的逐级稳定常数随着配位数的增加而下降。一般认为,随着配位体数目增多,配位体之间的排斥作用加大,故其稳定性下降。
配合物的逐级稳定常数和稳定常数间有表达式:
K= K1·K2·K3·K4…Kh
对[Cu(NH3)4]2+来说,其稳定性k 为:
K= K1·K2·K3·K4
K=(1.41×104)(3.17×103)(7.76×102)(1.39×102)=4.8×1012
不稳定常数
在水溶液中,[Ag(NH.3)2]+是稳定的,不过像其他弱电解质一样也有少数[Ag(NH.3)2]+发生离解,可用下式表示:
则平衡常数表达式为:
K不稳值愈大,表示配离子离解愈多,故称K不稳为配离子的不稳定常数。
K稳和K不稳互成倒数
稳定常数指络合平衡的平衡常数。通常指络合物的累积稳定常数,用K稳表示。例如:对具有相同配位体数目的同类型络合物来说,K稳值愈大,络合物愈稳定。配合物的稳定性,可以用生成配合物的平衡常数来表示。K稳值越大,表示形成配离子的倾向越大,此配合物越稳定。所以配离子的生成常数又称为稳定常数。
配合物在溶液中的生成与离解,与多元酸、碱相似,也是分级进行的,而且各级离解或生成常数也不一样。例如,Cu2+与NH3逐步配合过程中的分步稳定常数(30℃)分别为:
K1,K2,K3,K4称为逐级稳定常数。由上可见,配合物的逐级稳定常数随着配位数的增加而下降。一般认为,随着配位体数目增多,配位体之间的排斥作用加大,故其稳定性下降。
配合物的逐级稳定常数和稳定常数间有表达式:
K= K1·K2·K3·K4…Kh
对[Cu(NH3)4]2+来说,其稳定性k 为:
K= K1·K2·K3·K4
K=(1.41×104)(3.17×103)(7.76×102)(1.39×102)=4.8×1012
不稳定常数
在水溶液中,[Ag(NH.3)2]+是稳定的,不过像其他弱电解质一样也有少数[Ag(NH.3)2]+发生离解,可用下式表示:
则平衡常数表达式为:
K不稳值愈大,表示配离子离解愈多,故称K不稳为配离子的不稳定常数。
K稳和K不稳互成倒数
稳定常数指络合平衡的平衡常数。通常指络合物的累积稳定常数,用K稳表示。例如:对具有相同配位体数目的同类型络合物来说,K稳值愈大,络合物愈稳定。配合物的稳定性,可以用生成配合物的平衡常数来表示。K稳值越大,表示形成配离子的倾向越大,此配合物越稳定。所以配离子的生成常数又称为稳定常数。
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在溶液中配位化合物(简称配合物)的形成反应的平衡常数。稳定常数是衡量配合物在溶液中稳定性的尺度,其值越大越稳定。在水溶液中,配合物的形成是水合金属离子M(H2O)n中内层的水分子被配体L取代的反应(离子所带电荷从略):
以上反应的平衡常数为:
(1)
式中方括号内表示各质点的平衡浓度;βn为化学计量积累稳定常数。通常取代反应是逐级进行的,逐级稳定常数Kn为:
(2)
显然,。水的浓度可认为是恒定的,所以式(1)和(2)中[H2O]为常数,可并入左边,而右边不必写出。若平衡浓度以活度a代替,则相应的平衡常数称为热力学稳定常数Tβn(或TKn):
其中活度系数 f近似地仅与离子强度有关,在测定化学计量稳定常数时,常在溶液中加入惰性盐以维持离子强度不变。
配合物在溶液中形成时,常引起某一种物理化学性质的改变。测定稳定常数的方法就是以此为基础。大致有以下几种:
电位法
以研究溶液中离子与电极的相互作用为基础,来测定金属离子或配体的活度。电位法所测的数据精确,适用于单核、混合和多核配合物的研究,应用范围最广泛。用电位法测定稳定常数时,要求电极反应必须是可逆的。使用的电极主要有金属或金属汞齐电极、氧化还原电极和离子选择性电极三种。金属汞齐电极使用较广,适用于Cu2+、Zn2+、Cd2+、In3+、Tl+、Sn2+、Pb2+、Bi3+等金属配合物的研究。用玻璃电极测定稳定常数,称为pH电位法(见溶液pH的电位测定法),可以测量配合物形成时溶液pH的变化,再用所得结果计算稳定常数。用pH电位法测定稳定常数时,要求配合物在溶液中有足够的溶解度,在反应过程中无沉淀生成,配体的碱度要适中。该法在测定螯合物(见螯合作用)的稳定常数时特别有效。各种离子选择性电极是近年来出现的新方法,目前品种有限,可测的离子不多。
极谱法
也是以研究溶液中离子与电极的相互作用为基础的方法。根据加入配体后金属离子的半波电位的改变来计算稳定常数,在金属离子可逆还原条件下,能得到单核和混合配合物的稳定常数。该法数据准确可靠,灵敏度高,特别适用于浓度和稳定性较低的配合物。对某些不可逆还原的金属离子,可采用竞争法或利用扩散电流随配体浓度改变的关系来计算(见极谱法和伏安法)。
分光光度法
当配合物的吸收光谱与金属离子有所不同,且溶液在某一波长的光密度与组成的关系符合比尔定律时,稳定常数可通过计算求得。其优点是迅速可靠,适用于低浓度(10-4~10-5)的配合物,溶剂选择的范围比电位法广,但处理数据的未知数比电位法多,对较复杂体系的计算有一定困难(见紫外-可见分光光度法)。
萃取法和离子交换法
均以金属配合物的异相分配为基础,通过测定分配比来测定稳定常数。这两种方法的精确度不如电位法,但不低于分光光度法,特别是当金属离子浓度很低时,可采用放射性手段来测定,这是其独特的优点。萃取法(见溶剂萃取)适用于研究螯合物,不适用于稳定性较低的配合物。离子交换法适用于微量的或含放射性金属离子的配合物的研究,但手续较麻烦,数据不够精确。
量热滴定法
又称测温滴定法,是20世纪60年代发展起来的新方法,根据配位反应的热效应来确定组成和稳定常数。该法用热敏电阻感温,用电子计算机计算,通过一次滴定可同时求得配位反应热焓 ΔH和稳定常数值,能直接而准确地获得ΔH、ΔG(吉布斯函数)和ΔS(熵)值。此法应用范围广,反应条件适应性强,对高酸度、高碱度和非水体系均可适用,特别适用于pH值恒定的生物缓冲体系。但不如pH电位法和分光光度法有高度的专一性。因其计算复杂,校正项多,用于复杂体系时有一定的困难。
其他方法
均以配位过程中某一物理量的改变为基础,如核磁共振法(见核磁共振谱)以化学位移或偶合常数为基础,顺磁共振法(见电子自旋共振)除根据偶合常数外,还可根据谱线宽度(弛豫时间)、谱线强度(自旋浓度)及朗德因子值来计算。这些方法皆有局限性,使用范围不广。
参考书目
F. J. C. Rossotti and H. S. Rossotti,The Determination of Stability Constants,McGraw-Hill,New York,1961.
F.R.Hartley,C.Burgess and R. Alcock,Solution Equi-librium, John Wiley & Sons, New York,1980.
以上反应的平衡常数为:
(1)
式中方括号内表示各质点的平衡浓度;βn为化学计量积累稳定常数。通常取代反应是逐级进行的,逐级稳定常数Kn为:
(2)
显然,。水的浓度可认为是恒定的,所以式(1)和(2)中[H2O]为常数,可并入左边,而右边不必写出。若平衡浓度以活度a代替,则相应的平衡常数称为热力学稳定常数Tβn(或TKn):
其中活度系数 f近似地仅与离子强度有关,在测定化学计量稳定常数时,常在溶液中加入惰性盐以维持离子强度不变。
配合物在溶液中形成时,常引起某一种物理化学性质的改变。测定稳定常数的方法就是以此为基础。大致有以下几种:
电位法
以研究溶液中离子与电极的相互作用为基础,来测定金属离子或配体的活度。电位法所测的数据精确,适用于单核、混合和多核配合物的研究,应用范围最广泛。用电位法测定稳定常数时,要求电极反应必须是可逆的。使用的电极主要有金属或金属汞齐电极、氧化还原电极和离子选择性电极三种。金属汞齐电极使用较广,适用于Cu2+、Zn2+、Cd2+、In3+、Tl+、Sn2+、Pb2+、Bi3+等金属配合物的研究。用玻璃电极测定稳定常数,称为pH电位法(见溶液pH的电位测定法),可以测量配合物形成时溶液pH的变化,再用所得结果计算稳定常数。用pH电位法测定稳定常数时,要求配合物在溶液中有足够的溶解度,在反应过程中无沉淀生成,配体的碱度要适中。该法在测定螯合物(见螯合作用)的稳定常数时特别有效。各种离子选择性电极是近年来出现的新方法,目前品种有限,可测的离子不多。
极谱法
也是以研究溶液中离子与电极的相互作用为基础的方法。根据加入配体后金属离子的半波电位的改变来计算稳定常数,在金属离子可逆还原条件下,能得到单核和混合配合物的稳定常数。该法数据准确可靠,灵敏度高,特别适用于浓度和稳定性较低的配合物。对某些不可逆还原的金属离子,可采用竞争法或利用扩散电流随配体浓度改变的关系来计算(见极谱法和伏安法)。
分光光度法
当配合物的吸收光谱与金属离子有所不同,且溶液在某一波长的光密度与组成的关系符合比尔定律时,稳定常数可通过计算求得。其优点是迅速可靠,适用于低浓度(10-4~10-5)的配合物,溶剂选择的范围比电位法广,但处理数据的未知数比电位法多,对较复杂体系的计算有一定困难(见紫外-可见分光光度法)。
萃取法和离子交换法
均以金属配合物的异相分配为基础,通过测定分配比来测定稳定常数。这两种方法的精确度不如电位法,但不低于分光光度法,特别是当金属离子浓度很低时,可采用放射性手段来测定,这是其独特的优点。萃取法(见溶剂萃取)适用于研究螯合物,不适用于稳定性较低的配合物。离子交换法适用于微量的或含放射性金属离子的配合物的研究,但手续较麻烦,数据不够精确。
量热滴定法
又称测温滴定法,是20世纪60年代发展起来的新方法,根据配位反应的热效应来确定组成和稳定常数。该法用热敏电阻感温,用电子计算机计算,通过一次滴定可同时求得配位反应热焓 ΔH和稳定常数值,能直接而准确地获得ΔH、ΔG(吉布斯函数)和ΔS(熵)值。此法应用范围广,反应条件适应性强,对高酸度、高碱度和非水体系均可适用,特别适用于pH值恒定的生物缓冲体系。但不如pH电位法和分光光度法有高度的专一性。因其计算复杂,校正项多,用于复杂体系时有一定的困难。
其他方法
均以配位过程中某一物理量的改变为基础,如核磁共振法(见核磁共振谱)以化学位移或偶合常数为基础,顺磁共振法(见电子自旋共振)除根据偶合常数外,还可根据谱线宽度(弛豫时间)、谱线强度(自旋浓度)及朗德因子值来计算。这些方法皆有局限性,使用范围不广。
参考书目
F. J. C. Rossotti and H. S. Rossotti,The Determination of Stability Constants,McGraw-Hill,New York,1961.
F.R.Hartley,C.Burgess and R. Alcock,Solution Equi-librium, John Wiley & Sons, New York,1980.
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