分布系数计算公式
分布系数是指在平衡体系中,某一组分的某种型体的平衡浓度占该组分总浓度的分数,以符号 δ \deltaδ 表示。
不同化学体系中分布系数的计算公式有所不同,以下介绍常见的几种情况: 一元弱酸(HA)溶液 设一元弱酸 HA 的分析浓度为 c cc,在溶液中存在如下解离平衡: H A ⇌ H + + A − HA \rightleftharpoons H^+ + A^-HA⇌H++A− 根据平衡常数表达式,K a = [ H + ] [ A − ] [ H A ] K_a = \frac{[H^+][A^-]}{[HA]}Ka=[HA][H+][A−],可得 [ A − ] = K a [ H A ] [ H + ] [A^-] = \frac{K_a[HA]}{[H^+]}[A−]=[H+]Ka[HA]。
总浓度 c = [ H A ] + [ A − ] c = [HA] + [A^-]c=[HA]+[A−],将 [ A − ] = K a [ H A ] [ H + ] [A^-] = \frac{K_a[HA]}{[H^+]}[A−]=[H+]Ka[HA] 代入可得: c = [ H A ] + K a [ H A ] [ H + ] = [ H A ] ( 1 + K a [ H + ] ) c = [HA] + \frac{K_a[HA]}{[H^+]} = [HA](1 + \frac{K_a}{[H^+]})c=[HA]+[H+]Ka[HA]=[HA](1+[H+]Ka) 则 HA 的分布系数 δ H A \delta_{HA}δHA 为: δ H A = [ H A ] c = [ H + ] [ H + ] + K a \delta_{HA} = \frac{[HA]}{c} = \frac{[H^+]}{[H^+] + K_a}δHA=c[HA]=[H+]+Ka[H+] A − A^-A− 的分布系数 δ A − \delta_{A^-}δA− 为: δ A − = [ A − ] c = K a [ H + ] + K a \delta_{A^-} = \frac{[A^-]}{c} = \frac{K_a}{[H^+] + K_a}δA−=c[A−]=[H+]+KaKa 二元弱酸(H 2 A H_2AH2A)溶液 二元弱酸 H 2 A H_2AH2A 在溶液中存在两级解离平衡: H 2 A ⇌ H + + H A − H_2A \rightleftharpoons H^+ + HA^-H2A⇌H++HA− ,K a 1 = [ H + ] [ H A − ] [ H 2 A ] K_{a1} = \frac{[H^+][HA^-]}{[H_2A]}Ka1=[H2A][H+][HA−] H A − ⇌ H + + A 2 − HA^- \rightleftharpoons H^+ + A^{2-}HA−⇌H++A2− ,K a 2 = [ H + ] [ A 2 − ] [ H A − ] K_{a2} = \frac{[H^+][A^{2-}]}{[HA^-]}Ka2=[HA−][H+][A2−] 总浓度 c = [ H 2 A ] + [ H A − ] + [ A 2 − ] c = [H_2A] + [HA^-] + [A^{2-}]c=[H2A]+[HA−]+[A2−] 由上述平衡关系可得: [ H A − ] = K a 1 [ H 2 A ] [ H + ] [HA^-] = \frac{K_{a1}[H_2A]}{[H^+]}[HA−]=[H+]Ka1[H2A] [ A 2 − ] = K a 1 K a 2 [ H 2 A ] [ H + ] 2 [A^{2-}] = \frac{K_{a1}K_{a2}[H_2A]}{[H^+]^2}[A2−]=[H+]2Ka1Ka2[H2A] 将其代入总浓度表达式并化简,得到各型体的分布系数: H 2 A H_2AH2A 的分布系数 δ H 2 A \delta_{H_2A}δH2A : δ H 2 A = [ H 2 A ] c = [ H + ] 2 [ H + ] 2 + [ H + ] K a 1 + K a 1 K a 2 \delta_{H_2A} = \frac{[H_2A]}{c} = \frac{[H^+]^2}{[H^+]^2 + [H^+]K_{a1} + K_{a1}K_{a2}}δH2A=c[H2A]=[H+]2+[H+]Ka1+Ka1Ka2[H+]2 H A − HA^-HA− 的分布系数 δ H A − \delta_{HA^-}δHA− : δ H A − = [ H A − ] c = [ H + ] K a 1 [ H + ] 2 + [ H + ] K a 1 + K a 1 K a 2 \delta_{HA^-} = \frac{[HA^-]}{c} = \frac{[H^+]K_{a1}}{[H^+]^2 + [H^+]K_{a1} + K_{a1}K_{a2}}δHA−=c[HA−]=[H+]2+[H+]Ka1+Ka1Ka2[H+]Ka1 A 2 − A^{2-}A2− 的分布系数 δ A 2 − \delta_{A^{2-}}δA2− : δ A 2 − = [ A 2 − ] c = K a 1 K a 2 [ H + ] 2 + [ H + ] K a 1 + K a 1 K a 2 \delta_{A^{2-}} = \frac{[A^{2-}]}{c} = \frac{K_{a1}K_{a2}}{[H^+]^2 + [H^+]K_{a1} + K_{a1}K_{a2}}δA2−=c[A2−]=[H+]2+[H+]Ka1+Ka1Ka2Ka1Ka2 一元弱碱(B BB)溶液 设一元弱碱 B BB 的分析浓度为 c cc,在溶液中存在如下解离平衡: B + H 2 O ⇌ B H + + O H − B + H_2O \rightleftharpoons BH^+ + OH^-B+H2O⇌BH++OH− 根据平衡常数表达式,K b = [ B H + ] [ O H − ] [ B ] K_b = \frac{[BH^+][OH^-]}{[B]}Kb=[B][BH+][OH−],可得 [ B H + ] = K b [ B ] [ O H − ] [BH^+] = \frac{K_b[B]}{[OH^-]}[BH+]=[OH−]Kb[B]。
总浓度 c = [ B ] + [ B H + ] c = [B] + [BH^+]c=[B]+[BH+],将 [ B H + ] = K b [ B ] [ O H − ] [BH^+] = \frac{K_b[B]}{[OH^-]}[BH+]=[OH−]Kb[B] 代入可得: c = [ B ] + K b [ B ] [ O H − ] = [ B ] ( 1 + K b [ O H − ] ) c = [B] + \frac{K_b[B]}{[OH^-]} = [B](1 + \frac{K_b}{[OH^-]})c=[B]+[OH−]Kb[B]=[B](1+[OH−]Kb) 则 B BB 的分布系数 δ B \delta_{B}δB 为: δ B = [ B ] c = [ O H − ] [ O H − ] + K b \delta_{B} = \frac{[B]}{c} = \frac{[OH^-]}{[OH^-] + K_b}δB=c[B]=[OH−]+Kb[OH−] B H + BH^+BH+ 的分布系数 δ B H + \delta_{BH^+}δBH+ 为: δ B H + = [ B H + ] c = K b [ O H − ] + K b \delta_{BH^+} = \frac{[BH^+]}{c} = \frac{K_b}{[OH^-] + K_b}δBH+=c[BH+]=[OH−]+KbKb 这些公式在分析化学中用于计算不同酸碱条件下各型体的分布情况,有助于理解酸碱平衡体系中物质的存在形式及相关性质。