Metallien kompleksinmuodostus liuosfaasissa

Abstract

Liuoksessa metallit muodostavat erilaisia koordinatioyhdisteitä epäorgaanisten ja orgaanisten anionien ja neutraalien molekyylien kanssa. Erityisesti siirtymämetalleilla on voimakas taipumus kompleksiyhdisteiden muodostamiseen elektroneja sisältävien 3-, 4-, ja 5d orbitaaliensa johdosta. Samassa liuoksessa voi samanaikaisesti esiintyä useita erilaisia, mutta samoista lähtöaineista muodostuneita, kompleksiyhdisteitä. Kompleksinmuodostusreaktiot ovat tasapainoreaktioita. Usein tasapainovakiot on esitetty termodynaamisina tasapainovakioina eli ne ovat päteviä standarditilassa. Standarditilan tasapainovakioista voidaan johtaa missä tahansa liuoksessa pätevät vakiot erilaisten Debye-Hückel-teoriasta johdettujen laskentamenetelmien avulla. Metalli-ligandiparin jakautuminen erilaisiksi kompleksiyhdisteiksi voidaan mallintaa kun tunnetaan muodostumisreaktioiden tasapainovakiot. Muodostumisreaktioiden tasapainovakioiden yhtälöistä voidaan johtaa epälineaarinen yhtälöryhmä, joka voidaan ratkaista jollakin numeerisella ratkaisimella. Esimerkiksi Matlab-ohjelmiston sisältämä fsolve-ratkaisin soveltuu tällaiseen tehtävään. Osana tätä työtä on kirjoitettu Matlab-sovellus, jolla voidaan mallintaa kationi-ligandiparin jakautumista koordinaatioyhdisteiksi tunnettujen tasapainovakioiden perusteella.

Metals form various coordinate compounds in a solution when inorganic and organic anions and neutral molecules are present. Transition metals in particular exhibit this tendency due to having electrons on 3-, 4- and 5d orbitals. Same solution can simultaneously contain several different complex ions that were formed from the same starting materials. Reactions leading to a formation of complex ions are equilibrium reactions. Formation constants for these reactions are often expressed as thermodynamic equilibrium constants which are valid in the standard state. Formation constants in any solution can be derived from the standard state equilibrium constants using calculation methods derived from Debye-Hückel theory. It is possible to model the distribution of complex ions in the system if the equilibrium constants of their formation reactions are known. Expressions of equilibrium constants can be used in deriving a set of nonlinear equations. This set of nonlinear equations can be subsequently solved by using a numerical solver. For example fsolve optimizer included in the Matlab software can be used in solving this kind of task. Part of this work included writing of a Matlab routine that can be used for modeling the distribution of coordinate compounds in the system by using the formation constants.