Распределение между фазами

8 заданий

Закон распределения

Заваривание чая — экстракция: ароматические вещества переходят из листа в воду. В лаборатории вещество извлекают из воды органическим растворителем, который с водой не смешивается.

functionЗакон распределения Нернста

Если вещество в обеих фазах находится в одной и той же форме, отношение его равновесных концентраций постоянно: \(K_D = \dfrac{c_\text{орг}}{c_\text{вод}}\).

Иод в четырёххлористом углероде растворяется в 85 раз лучше, чем в воде: встряхнув бурую иодную воду с небольшим объёмом \(\ce{CCl4}\), получаем бесцветную воду и фиолетовый нижний слой.

После одной экстракции объёмом \(V_\text{о}\) в водной фазе объёмом \(V_\text{в}\) остаётся доля

\[q = \frac{V_\text{в}}{V_\text{в} + K_DV_\text{о}}.\]

Несколько порций лучше одной

Что выгоднее: один раз встряхнуть с 10 мл растворителя или дважды по 5 мл? После \(n\) экстракций порциями \(V_\text{о}/n\)

\[q_n = \left(\frac{V_\text{в}}{V_\text{в} + K_DV_\text{о}/n}\right)^n.\]

Для иода (100 мл воды, 10 мл \(\ce{CCl4}\)): одной порцией остаётся 10,5 %, двумя — 3,6 %, пятью — 0,7 %. Выигрыш быстро убывает: дробить объём до бесконечности бессмысленно, предел — \(e^{-K_DV_\text{о}/V_\text{в}}\).

Доля вещества, оставшегося в воде, при делении одного и того же объёма экстрагента на n порций — Доля вещества, оставшегося в воде, при делении одного и того же объёма экстрагента на \(n\) порций

Кислоты, основания и хроматография

В органический растворитель обычно переходит только нейтральная форма; ионы остаются в воде. Для слабой кислоты наблюдаемое отношение общих концентраций

\[D = \frac{c_\text{орг}}{c(\ce{HA}) + c(\ce{A-})} = K_D\,\alpha_{\ce{HA}} = \frac{K_D}{1 + K_a/[\ce{H+}]}.\]

В кислой среде кислота извлекается хорошо, в щелочной — плохо. На этом построены схемы разделения: кислоты переводят в воду щёлочью, основания — кислотой, а нейтральные вещества остаются в органике.

Хроматография — то же распределение, повторённое тысячи раз: вещество движется с подвижной фазой вдоль неподвижной, и чем больше его \(K_D\) в пользу неподвижной фазы, тем медленнее оно движется. Вещества с разными \(K_D\) расходятся.

infoИз истории

Хроматографию изобрёл русский ботаник Михаил Цвет в 1903 году: он пропускал экстракт листьев через стеклянную трубку с измельчённым мелом, и пигменты расходились цветными полосами — зелёными хлорофиллами и жёлтыми каротиноидами. Название метода — «запись цвета» — перекликается с фамилией автора. Через полвека хроматография стала одним из главных методов анализа; за её распределительный вариант Арчер Мартин и Ричард Синг получили Нобелевскую премию 1952 года.

push_pinГлавное

Нернст: отношение концентраций одной и той же формы вещества в двух несмешивающихся фазах постоянно, \(K_D = c_\text{орг}/c_\text{вод}\). После одной экстракции в воде остаётся доля \(q = V_\text{в}/(V_\text{в} + K_DV_\text{о})\); несколько порций того же общего объёма извлекают больше. Экстрагируется обычно нейтральная форма: коэффициент распределения кислоты \(D = K_D\alpha_{\ce{HA}}\) зависит от pH. Хроматография — много последовательных распределений.

Закрепите теорию: 8 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.