金属
螯合剂(metal chelating agent)可以通过螯合剂分子与
金属离子的强结合作用,将金属离子包合到螯合剂内部,变成稳定的,分子量更大的化合物,从而阻止金属离子起作用,可以用于解毒,印染,
阻垢等方面。
由一个简单
正离子(称为
中心离子)和几个
中性分子或离子(称为
配位体)结合而成的
复杂离子叫
配离子(又称
络离子),含有配离子的化合物叫
配位化合物。配合物中心离子与配位体通过配位键结合。配位键是一种特殊的
共价键,通常的共价键是由两个成键·原子分别贡献出一个电子形成共同电子对的,而在配位键中是只由一个原子提供电子对,另一原子提供
空轨道形成的。为了区别把共价键用“—”表示,如H·+·H=H:H(H—H),配位键仍用“←”表示,箭头指向提供空轨道的原子,如Cu+
NH3=CuNH3(Cu←NH3)。如果配位体中只有一个
配位原子,则中心离子与配位体之间只能形成一个配位键。而有些配位体分子中含有两个以上的配位原子,当两个原子间相隔着两至三个其他非配位原子时,:这个配体就可以与中心离子(或原子)同时形成两个以上的配位键,并形成一个包括两个配位五元或六元环的特殊结构,把这种配合物称为
螯合物。螯合物比一般配合物更稳定。
某些染料(如C. I.
分散红60,C. I.
分散蓝79等)在化学合成过程中带入铁、铜、镁、钙
等离子,造成染料着色时
色光发暗等不良影响,除在
原染料中设法减少或避免这些离子侵入外,常采用金属螯合剂将这些离子螯合,使之不影响染料的印染效果。所用的金属螯合剂有柠檬酸、乙二胺四乙酸(
依地酸)等,用量通常为染料量的千分之几(如金属含量过高可适当多一些)。除适用于上述几种
分散染料品种外,也可用于对这些金属离子敏感的其他染料品种。
聚磷酸盐螯合剂的缺点是它们在高温下会发生水解而分解,使螯合能力减弱或丧失。而且其螯合能力受pH值影响较大,一般只适合在碱性条件下作螯合剂。一般说来这些无机螯合剂
对重金属离子特别是
铁离子的螯合能力较差。由于以上缺点,使无机螯合剂的用途受到限制,通常只用于对钙、
镁离子螯合,所以常作为
硬水软化剂。
(1)氨基羧酸类 氨基羧酸用作螯合剂的有
乙二胺四乙酸(EDTA),氨基三
乙酸(又称
次氮基三乙酸NTA),
二亚乙基三胺五乙酸及其盐等。它们对钙、镁离子均有较强的螯合作用。从单位质量的三种酸
螯合钙离子的数量看,以NTA螯合最多,EDTA其次,DTPA再次。从实用方面来看NTA与
钙离子形成的
螯合物相当稳定且价格又便宜,所以常在洗涤剂中做
三聚磷酸钠的
代用品。
乙二胺四乙酸二钠盐分子中含有两个
氮原子和四个
氧原子可提供形成
配位键的
电子对可与钙离子形成六个配位键组成的K元环如下: 在水中很稳定不易解离。但由于乙二胺四乙酸价格昂贵, 只用在
不停车清洗等特殊圬垢清洗中而且常用在水中
溶解度较其大的
二钠盐或四钠盐。二钠盐水溶液的pH值为4.4,四钠盐水溶液pH值为10.8。应当注意在碱性条件下有些金属离子会形成
氢氧化物沉淀析出而不被螯合,例如Fe3+在pH>8的水溶液
中会形成
Fe(OH)3沉淀而不能用EDTA去螯合Fe3+。所以如果金属离子在pH值较高条件下生成氢氧化物,则不能被螯合,在实用中要注意。
(2)羟基羧酸类 用作螯合剂的这类羧酸主要是
柠檬酸(CA)、
酒石酸(TA)和
葡萄糖酸(GA)。由于这些螯合剂在酸性条件下螯合性能较弱,在洗涤剂配方中通常采用它们的盐作助洗剂。其中
葡萄糖酸钠是一种良好的全能螯合剂,对多种金属离子都有很好的螯合能力,而
酒石酸钠、
柠檬酸钠也能螯合大多数二价和三价金属离子。
柠檬酸及其盐在酸性范围内就有较强的螯合能力,合适的使用范围是pH=4~8。柠檬酸与铁离子形成的螯合物溶解度低,在水中会形成沉淀,为了增加其溶解度,加入适量
铵盐生成柠檬酸单铵与Fe3+、Fe2+离子螯合分别形成溶解度较大的柠檬酸亚铁铵和
柠檬酸铁铵,这样就不会在清除铁锈时出现沉淀。
由于柠檬酸螯合剂适用pH值范围比其他几种羟基羧酸广,使它成为
工业生产中使用最多的羟基羧酸螯合剂。
它们在pH=9的
弱碱性条件下可螯合铁离子,但对其他离子螯合能力较差,如二羟乙基甘氨酸不能用螯合钙、镁离子,所以一般可用它们去除铁锈垢而不用它们去除
碳酸钙等水垢。羧酸类螯合剂大多有易于
生物降解不污染环境,无毒害的优点。 其他羧酸类螯合剂还有1,2,3,令四
羧基环戊烷,2—氧
乙酸基丙二酸及2—氧乙酸基丁导酸等。
有机多元膦酸与无机聚磷酸盐相比有良好的
化学稳定性,不易水解,能耐较高温度。对许多金属离子如钙、镁、铜、锌都有优异的螯合能力。在
工业清洗中常用作
阻垢剂,防止水垢的生成。已被大量应用。