分子间相互作用与溶剂特性 (2)精选课件.ppt

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1、现代分离方法与技术现代分离方法与技术关于分子间相互作用与溶剂特性(2)第一页，本课件共有62页现代分离方法与技术现代分离方法与技术 4.1 4.1 分子间相互作用分子间相互作用 4.1.2 4.1.2 静电相互作用静电相互作用 4.1.3 4.1.3 分子间范德华力分子间范德华力 4.1.4 4.1.4 氢键相互作用氢键相互作用 4.1.5 4.1.5 电荷转移相互作用电荷转移相互作用 4.2 4.2 物质的溶解与溶剂极性物质的溶解与溶剂极性 4.3 4.3 疏水相互作用疏水相互作用第二页，本课件共有62页现代分离方法与技术现代分离方法与技术分离的基本思路分离的基本思路:分子间相互作用是联系物

2、质结构与性质的桥梁分子间相互作用是联系物质结构与性质的桥梁 混合物混合物A,B 否否 1.分子间相互作用分子间相互作用 分析分子结构是否有差别分析分子结构是否有差别 调整体系中调整体系中 A,B 2.化学作用化学作用 是是 3.外场作用外场作用 与分离有关的性质上的差异与分离有关的性质上的差异 使使 A,B不同不同 选择分离方法、材料和条件选择分离方法、材料和条件第三页，本课件共有62页现代分离方法与技术现代分离方法与技术4.1 分子间相互作用分子间相互作用物理相互作用和化学相互作用的区别物理相互作用和化学相互作用的区别 物理相互作用物理相互作用 化学相互作用化学相互作用新物质的生成新物质的生

3、成 无无 有有相互作用能相互作用能 弱弱 强强 （0 15kJ/mol）（200 400kJ/mol）方向性与饱和性方向性与饱和性 无无 有有第四页，本课件共有62页现代分离方法与技术现代分离方法与技术n分子间相互作用是介于物理与化学相互作用之间的作用分子间相互作用是介于物理与化学相互作用之间的作用 氢键氢键键强度较弱（键强度较弱（8 840 kJ/mol40 kJ/mol），有饱和性和方向性。），有饱和性和方向性。电荷转移电荷转移键能较弱（键能较弱（5 540 kJ/mol40 kJ/mol），化合物不稳定。），化合物不稳定。络合（配位）作用络合（配位）作用强电荷转移相互作用，可分离得到晶体

4、。强电荷转移相互作用，可分离得到晶体。n分子间相互作用的表征分子间相互作用的表征势能或分子间力。势能或分子间力。n体系能量体系能量 当两个分子当两个分子a a和和b b相距无限远时，它们之间的相互作用可忽略不相距无限远时，它们之间的相互作用可忽略不计。这时由分子计。这时由分子a a和和b b组成的体系的总能量等于它们各自的能量之和。组成的体系的总能量等于它们各自的能量之和。即即：第五页，本课件共有62页现代分离方法与技术现代分离方法与技术双体（双分子）相互作用势能函数双体（双分子）相互作用势能函数 当对体系做功使两个分子相当对体系做功使两个分子相互接近到某一距离互接近到某一距离r r时，由时，

5、由该双分子组成的体系的总该双分子组成的体系的总能量能量U UT T中，增加了分子间中，增加了分子间相互作用势能相互作用势能U U(r)(r)。U U(r)(r)与分子与分子a a和和b b的结构及的结构及两分子对称中心间距离两分子对称中心间距离r r有关。有关。第六页，本课件共有62页现代分离方法与技术现代分离方法与技术双体相互作用势能函数双体相互作用势能函数体系总能量体系总能量 U UT T：U UT T=U=Ua a+U+Ub b+U+U(r)(r)分子间相互作用势能分子间相互作用势能U U(r)(r)：U U(r)(r)=U=UT T-(U(Ua a+U+Ub b)=U=UT T-U U

6、()这种相互作用势能也称作这种相互作用势能也称作“双体相互作用势能函数双体相互作用势能函数”Lennard-Jones方程：方程：式式A和和B为常数，通常实验测得为常数，通常实验测得r值。值。第七页，本课件共有62页现代分离方法与技术现代分离方法与技术分子间相互作用势能分子间相互作用势能U U(r)(r)在数值上等于将两个分子从无限在数值上等于将两个分子从无限远处推进至相距远处推进至相距r r处时所需作的功。处时所需作的功。相距相距r处两分子相互作用力处两分子相互作用力F(r)为：为：习惯上规定排斥力为正值，吸引力为负值习惯上规定排斥力为正值，吸引力为负值第八页，本课件共有62页现代分离方法与

7、技术现代分离方法与技术4.1.1 分子间静电相互作用分子间静电相互作用 假设两个分子（离子）所带电量分别为假设两个分子（离子）所带电量分别为qi和和qj,和所有带和所有带电粒子之间的静电相互作用一样，这两个分子间的静电力电粒子之间的静电相互作用一样，这两个分子间的静电力（F）遵循）遵循库仑定律：库仑定律：对于荷电分子而言，对于荷电分子而言，qi和和qj是单位电荷是单位电荷e的积分，则两个分的积分，则两个分子间的静电作用势能子间的静电作用势能Uij为：为：第九页，本课件共有62页现代分离方法与技术现代分离方法与技术4.1.2 分子间范德华力分子间范德华力范德华力主要包括：范德华力主要包括：永久偶

8、极相互作用力；永久偶极相互作用力；诱导偶极相互作用力；诱导偶极相互作用力；色散力。色散力。不同类型分子间三种相互作用的大小不同。不同类型分子间三种相互作用的大小不同。第十页，本课件共有62页现代分离方法与技术现代分离方法与技术一一.极性与非极性分子极性与非极性分子1.1.分子的极性分子的极性偶极矩：偶极矩：衡量分子极性大小的量度衡量分子极性大小的量度 =qd=qdd-d-正、负电荷重心的距离；正、负电荷重心的距离；q-q-偶极上一端的电荷。偶极上一端的电荷。=0=0为非极性分子为非极性分子 +dq+q电偶极矩愈大电偶极矩愈大表示分子的极性愈强表示分子的极性愈强 第十一页，本课件共有62页现代分

9、离方法与技术现代分离方法与技术 非极性分子：正负电荷重心重合。如非极性分子：正负电荷重心重合。如CH4、CCl4 极性分子：正负电荷重心不重合。如极性分子：正负电荷重心不重合。如NH3 ：(a)(a)可通过实验方法测得；可通过实验方法测得；(b)(b)用于判断分子极性的大小和空间构型。用于判断分子极性的大小和空间构型。第十二页，本课件共有62页现代分离方法与技术现代分离方法与技术 分子的极性与键的极性分子的极性与键的极性分子的极性分子的极性键的极性键的极性分类分类1 1、极性分子、极性分子2 2、非极性分子、非极性分子 1 1、极性共价键、极性共价键2 2、非极性共价键、非极性共价键联系联系双

10、原子分子两者统一双原子分子两者统一多原子分子两者不一定统一（与电负性和分子空间构多原子分子两者不一定统一（与电负性和分子空间构型有关型有关 ）量度量度电偶极矩电偶极矩电负性差电负性差第十三页，本课件共有62页现代分离方法与技术现代分离方法与技术正负电荷中心不重合便产生偶极正负电荷中心不重合便产生偶极（1 1）永久偶极）永久偶极 极性分子的正负电荷重心不重合所产生的固有偶极。极性分子的正负电荷重心不重合所产生的固有偶极。（2 2）诱导偶极）诱导偶极 外电场的作用使外电场的作用使分子变形产生的分子变形产生的偶极偶极这种现象称为这种现象称为分子的极化分子的极化第十四页，本课件共有62页现代分离方法与

11、技术现代分离方法与技术（3 3）瞬时偶极）瞬时偶极 分子自身振动所致，分子自身振动所致，分子越大越容易变形，分子越大越容易变形，瞬时偶极越大。瞬时偶极越大。分子间的相互作用也分子间的相互作用也可产生极化可产生极化第十五页，本课件共有62页现代分离方法与技术现代分离方法与技术1.1.永久偶极相互作用永久偶极相互作用n永久偶极永久偶极分子中电荷分布不均匀的现象永久存在相互作用分子中电荷分布不均匀的现象永久存在相互作用势能。势能。具有永久偶极矩具有永久偶极矩 i i和和 j j的分子的分子i i和和j j，其相互作用势能为：，其相互作用势能为：(ijij)CDCD表示随机取向的偶极相互作用的表示随机

12、取向的偶极相互作用的平均作用能平均作用能。n例如：对季铵盐分子而言，例如：对季铵盐分子而言，i i j j33.3533.35 1010-30-30 c c m(10dB),m(10dB),当当r=1nm,r=1nm,T=300KT=300K时，平均作用能为时，平均作用能为9.7 kJ/mol,9.7 kJ/mol,而最大偶极相而最大偶极相互作用能（偶极方向反平行）为互作用能（偶极方向反平行）为50 kJ/mol50 kJ/mol。第十六页，本课件共有62页现代分离方法与技术现代分离方法与技术2.2.诱导偶极相互作用诱导偶极相互作用n诱导偶极诱导偶极非极性分子没有固有偶极矩，但当受到电场作用时

13、，非极性分子没有固有偶极矩，但当受到电场作用时，分子中的电荷常常发生分离，被诱导产生偶极。分子中的电荷常常发生分离，被诱导产生偶极。n诱导偶极距诱导偶极距 与外加电场强度与外加电场强度E成正比。成正比。E 为被诱导分子的极化率。为被诱导分子的极化率。第十七页，本课件共有62页现代分离方法与技术现代分离方法与技术诱导能诱导能 一个非极性（或弱极性）分子一个非极性（或弱极性）分子i i处于邻近极性分子处于邻近极性分子j j的电场中的电场中时，所产生的平均诱导能为：时，所产生的平均诱导能为：例如例如：四氯化碳、环己烷、甲苯、正庚烷等的固有偶极矩很小，：四氯化碳、环己烷、甲苯、正庚烷等的固有偶极矩很小

14、，但它们被诱导的极化率（但它们被诱导的极化率（值）较高（分别为值）较高（分别为105,109,123,136 c105,109,123,136 c m m3 3），因而在极性溶剂中均有较高的极化），因而在极性溶剂中均有较高的极化能。能。第十八页，本课件共有62页现代分离方法与技术现代分离方法与技术3.色散力色散力 色散相互作用原理色散相互作用原理：假定两个分子：假定两个分子i i和和j j处于不停的、随处于不停的、随机的运动状态，这些分子中的外层电子也在不停地运机的运动状态，这些分子中的外层电子也在不停地运动。动。当此两分子恰好处于相邻位置时，由于分子当此两分子恰好处于相邻位置时，由于分子i

15、i上的电子上的电子随机运动可能在某一瞬间随机运动可能在某一瞬间t t，电子在核周围的位置不对称，电子在核周围的位置不对称，使分子中产生瞬时偶极距。使分子中产生瞬时偶极距。i i分子中的瞬时偶极距又在相邻分子分子中的瞬时偶极距又在相邻分子j j中诱导出一个相中诱导出一个相应的偶极。于是，分子应的偶极。于是，分子i i和和j j都具有了瞬时的偶极距，它都具有了瞬时的偶极距，它们因静电作用而相互吸引。们因静电作用而相互吸引。第十九页，本课件共有62页现代分离方法与技术现代分离方法与技术3.色散力色散力ni分子中产生瞬时偶极矩分子中产生瞬时偶极矩 i j 未被诱导未被诱导nj分子被诱导产生偶极矩分子被

16、诱导产生偶极矩 i j 第二十页，本课件共有62页现代分离方法与技术现代分离方法与技术3.色散力色散力色散色散(chromatic dispersion)相互作用势能相互作用势能nIi，Ij分别为分子分别为分子i和和j的第一电离势，的第一电离势，i，j分别为分别为i和和j的极化的极化率。率。n各种分子之间的电离能相差不大各种分子之间的电离能相差不大（8808801100 kJ/mol1100 kJ/mol），色，色散力主要取决于极化率，即化学键的性质。散力主要取决于极化率，即化学键的性质。第二十一页，本课件共有62页现代分离方法与技术现代分离方法与技术色散力色散力色散力无处不在色散力无处不在n

17、色散相互作用普遍存在于各类化合物中。色散相互作用普遍存在于各类化合物中。n非极性分子间相互作用力主要是色散力，如常温常压非极性分子间相互作用力主要是色散力，如常温常压下，己烷为液态、碘为固态。下，己烷为液态、碘为固态。n许多有机物中，色散作用构成总吸引能的主要部分。许多有机物中，色散作用构成总吸引能的主要部分。n极性化合物的分子间也存在色散相互作用。极性化合物的分子间也存在色散相互作用。n许多分离方法中，色散力起重要作用。许多分离方法中，色散力起重要作用。n色散力也是许多溶剂极性不同的主要原因。色散力也是许多溶剂极性不同的主要原因。第二十二页，本课件共有62页现代分离方法与技术现代分离方法与技

18、术分子间范德华力大小分子间范德华力大小在上述三种范德华力中，色散力通常是主要的。在上述三种范德华力中，色散力通常是主要的。例如：在例如：在4040 C C液态液态2-2-丁酮的内聚能计算值由丁酮的内聚能计算值由8 8的定的定向作用能、向作用能、1414的诱导作用能和的诱导作用能和7878的色散作用的色散作用能组成。能组成。n极性分子间：三种力都有，永久偶极相互作用为特色；极性分子间：三种力都有，永久偶极相互作用为特色；n非极性分子间：主要是色散作用；非极性分子间：主要是色散作用；n含不饱和或易极化键分子间：诱导相互作用为特色。含不饱和或易极化键分子间：诱导相互作用为特色。第二十三页，本课件共有

19、62页现代分离方法与技术现代分离方法与技术4.1.3 氢键相互作用氢键相互作用 1.氢键氢键 氢原子在分子中与电负性较大的原子氢原子在分子中与电负性较大的原子X形成共价键时，还形成共价键时，还可以吸引另一个电负性较大的原子可以吸引另一个电负性较大的原子Y，形成较弱化学结合，形成较弱化学结合氢键氢键 XHY 2.氢键的形成机理氢键的形成机理 在在HX共价键中，电负性较大的共价键中，电负性较大的X原子强烈吸引原子强烈吸引H原子原子的核外电子云，使的核外电子云，使H核几乎成为裸露状态。核几乎成为裸露状态。H核（即质子）核（即质子）半径相当小（半径相当小（0.03nm），且无内层电子，与电负性大），且

20、无内层电子，与电负性大的的Y有较强的静电相互作用，从而形成氢键。有较强的静电相互作用，从而形成氢键。第二十四页，本课件共有62页现代分离方法与技术现代分离方法与技术4.1.3 氢键相互作用氢键相互作用3.氢键的强弱氢键的强弱n与与X和和Y原子的电负性有关原子的电负性有关 X、Y原子的电负性越大，形成的氢键越强原子的电负性越大，形成的氢键越强n与与X和和Y原子的原子半径有关原子的原子半径有关 X、Y原子的原子半径越小，越易接近氢核，形成的氢原子的原子半径越小，越易接近氢核，形成的氢键越强。键越强。例如：例如：F原子的电负性最大，原子半径较小，原子的电负性最大，原子半径较小，所以：所以：FHF 中

21、的氢键最强。中的氢键最强。第二十五页，本课件共有62页现代分离方法与技术现代分离方法与技术4.1.4 电荷转移相互作用电荷转移相互作用1.Lewis1.Lewis酸碱酸碱nLewisLewis酸酸具有较强电子接受能力的化合物具有较强电子接受能力的化合物nLewisLewis碱碱具有较强电子给予能力的化合物具有较强电子给予能力的化合物2.2.电荷转移络合物电荷转移络合物 电子给予体与电子接受体之间形成的络合物电子给予体与电子接受体之间形成的络合物3.3.电荷转移络合物形成的条件电荷转移络合物形成的条件 电子给予体分子中要有一个能量较高的已占分子轨道，电子给予体分子中要有一个能量较高的已占分子轨道

22、，因而具有相对较低的电离势；电子接受体分子中要有因而具有相对较低的电离势；电子接受体分子中要有能量足够低的空轨道，因而具有相对高的电子亲和能。能量足够低的空轨道，因而具有相对高的电子亲和能。第二十六页，本课件共有62页现代分离方法与技术现代分离方法与技术4.4.电荷转移反应电荷转移反应 D+A (D.A D+.A)(a)(b)(a)(b)(a)表示表示D和和A由一般分子间力连接，由一般分子间力连接，D和和A之间未发之间未发生电荷转移作用；生电荷转移作用；(b)表示电荷从表示电荷从D转移至转移至A形成近于离子键状态的络形成近于离子键状态的络合物。合物。第二十七页，本课件共有62页现代分离方法与技

23、术现代分离方法与技术5.5.芳香烃、烯烃上取代基的影响芳香烃、烯烃上取代基的影响 取代基的性质对芳香烃和烯烃的电子接受或给予能力的影取代基的性质对芳香烃和烯烃的电子接受或给予能力的影响很大。响很大。n吸电子基团使不饱和烃成为电子接受体吸电子基团使不饱和烃成为电子接受体 常见吸电子基团常见吸电子基团：N(CH3)3+，NO2，CF3，=O，COOH，CHO，CN，X，COR，SO3H，电子接受体化合物电子接受体化合物：1,3,5-1,3,5-三硝基苯，四氰基乙烯三硝基苯，四氰基乙烯第二十八页，本课件共有62页现代分离方法与技术现代分离方法与技术n推电子基团使不饱和烃成为电子给予体推电子基团使不饱

24、和烃成为电子给予体 常见推电子基团常见推电子基团：CH3，NH2，OH，NHCOCH3，C6H5，OCH3 电子给予体化合物电子给予体化合物：1,3,5-三甲基苯，苯胺三甲基苯，苯胺第二十九页，本课件共有62页现代分离方法与技术现代分离方法与技术6.软硬酸碱理论软硬酸碱理论n软硬酸碱理论是判断电子给予体和电子接受体之软硬酸碱理论是判断电子给予体和电子接受体之间电荷转移程度的定性标准。间电荷转移程度的定性标准。n软是指路易斯酸碱间的电荷转移不很明显，形成以软是指路易斯酸碱间的电荷转移不很明显，形成以共价键为主的化学键；硬则指电荷转移很显著，形共价键为主的化学键；硬则指电荷转移很显著，形成以离子键

25、为主的化学键。成以离子键为主的化学键。n通常硬酸易与硬碱结合，软酸易与软碱结合。通常硬酸易与硬碱结合，软酸易与软碱结合。第三十页，本课件共有62页现代分离方法与技术现代分离方法与技术7.7.电荷转移络合物在分离中的应用电荷转移络合物在分离中的应用不饱和烃（烯烃、炔烃）的分离不饱和烃（烯烃、炔烃）的分离n亚铜盐、银盐、铂盐可以与烯烃和炔烃形成稳定的电亚铜盐、银盐、铂盐可以与烯烃和炔烃形成稳定的电荷转移络合物，被用于烯烃和炔烃的分离或回收。荷转移络合物，被用于烯烃和炔烃的分离或回收。nCuClCuCl2 2已用于乙炔、乙烯、丁二烯、苯乙烯的工业分已用于乙炔、乙烯、丁二烯、苯乙烯的工业分离。离。第三

26、十一页，本课件共有62页现代分离方法与技术现代分离方法与技术9.9.电荷转移络合物的离解压电荷转移络合物的离解压n电荷转移反应电荷转移反应 亚铜盐与乙烯电荷转移络合物的形成涉及气体亚铜盐与乙烯电荷转移络合物的形成涉及气体-固体平衡固体平衡 C C2 2H H4 4(g)+CuCl(g)+CuCl（s s）CuClCuCl C C2 2H H4 4（s s）因为因为：在给定温度下，固体组分在气相中的分压为常数（等于其：在给定温度下，固体组分在气相中的分压为常数（等于其蒸汽压），且很小。蒸汽压），且很小。所以所以：P PC C2 2H H4 4=常数常数第三十二页，本课件共有62页现代分离方法与技

27、术现代分离方法与技术n离解压：离解压：在上述实例中，络合反应达到平衡时气体组分分压称络合在上述实例中，络合反应达到平衡时气体组分分压称络合物的离解压。物的离解压。(1)(1)当乙烯的实际分压大于离解压时，形成稳定的络合当乙烯的实际分压大于离解压时，形成稳定的络合物物(2)(2)当乙烯的实际分压小于离解压时，络合物自动分解，当乙烯的实际分压小于离解压时，络合物自动分解，直至达到离解压。直至达到离解压。离解压反映了络合物的稳定性，在相同温度下，离离解压反映了络合物的稳定性，在相同温度下，离解压越低，络合物越稳定。解压越低，络合物越稳定。第三十三页，本课件共有62页现代分离方法与技术现代分离方法与技

28、术4.2 物质的溶解与溶剂极性物质的溶解与溶剂极性溶剂溶剂不仅不仅提供分离环境介质，提供分离环境介质，而且而且参与分离。参与分离。1.1.物质的溶解过程物质的溶解过程 (1)(1)溶质分子溶质分子A A（）克服自身分子间的相互作用势能（克服自身分子间的相互作用势能（H HAAAA）而单离成独立的分子，）而单离成独立的分子，H HAAAA越大，溶解越困难。越大，溶解越困难。(2)(2)溶剂分子溶剂分子B B（）之间的键断裂，并生成之间的键断裂，并生成“空隙空隙”以容以容纳溶质分子。纳溶质分子。H HBBBB越大，溶解越困难。越大，溶解越困难。(3)(3)溶质与溶剂之间形成新键，此过程释放能量溶质

29、与溶剂之间形成新键，此过程释放能量H HABAB 。第三十四页，本课件共有62页现代分离方法与技术现代分离方法与技术(1)溶质分子溶质分子“键键”断裂断裂 (3)溶质与溶剂分子溶质与溶剂分子“键键”生成生成 HAA HBB 2HAB (2)溶剂分子溶剂分子“键键”断裂断裂第三十五页，本课件共有62页现代分离方法与技术现代分离方法与技术n溶解过程的能量变化溶解过程的能量变化 HAB HAA HBB 2HAB HAB 0 难溶难溶 HAB 0 易溶易溶 HAB 0 可溶可溶第三十六页，本课件共有62页现代分离方法与技术现代分离方法与技术n一些溶解现象的定性解释一些溶解现象的定性解释 A B HAA

30、 HBB HAB HAB 互互溶性溶性己烷己烷 水水 小小 大大（氢键）（氢键）小小 难溶难溶己烷己烷 戊烷戊烷 小小 小小 小小 0 可溶可溶己烷己烷 丙酮丙酮 小小 小小 大大（氢键）（氢键）易溶易溶第三十七页，本课件共有62页现代分离方法与技术现代分离方法与技术n“相似相溶相似相溶”规律的局限性规律的局限性 在很多情况下是正确的，但例外也很多在很多情况下是正确的，但例外也很多例：例：(1)(1)酸性物质易溶于碱性物质酸性物质易溶于碱性物质 18羧酸与乙酸羧酸与乙酸的互溶性不如的互溶性不如18羧酸与胺（或吡啶）羧酸与胺（或吡啶）(2)电子给予体易溶于电子接受体电子给予体易溶于电子接受体 (

31、3)质子接受体易溶于质子给予体质子接受体易溶于质子给予体 (4)聚乙二醇不易溶于乙二醇中聚乙二醇不易溶于乙二醇中第三十八页，本课件共有62页现代分离方法与技术现代分离方法与技术2.溶剂的极性溶剂的极性(1)溶剂溶剂“极性极性”的定义：至今未统一，几种定义如下：的定义：至今未统一，几种定义如下：n指溶剂的永久偶极矩；指溶剂的永久偶极矩；n指溶剂的介电常数；指溶剂的介电常数；n某溶剂与其他物质发生相互作用时，分子间可能存在的所有某溶剂与其他物质发生相互作用时，分子间可能存在的所有相互作用对总的分子间作用能（相互作用对总的分子间作用能（H）的贡献。）的贡献。该定义比较准确，将据此定义讨论溶剂极性问题

32、。该定义比较准确，将据此定义讨论溶剂极性问题。第三十九页，本课件共有62页现代分离方法与技术现代分离方法与技术(2)(2)溶剂极性的标度溶剂极性的标度 偶极矩偶极矩 介电常数介电常数 水辛醇体系中分配系数水辛醇体系中分配系数 溶解度参数溶解度参数 罗氏极性参数罗氏极性参数第四十页，本课件共有62页现代分离方法与技术现代分离方法与技术(3)(3)溶解度参数（溶解度参数（）n是目前使用最多的溶剂极性标度之一，可用来解释许多是目前使用最多的溶剂极性标度之一，可用来解释许多非电解质在有机溶剂中的溶解度以及分离问题。非电解质在有机溶剂中的溶解度以及分离问题。n数学定义式数学定义式 组分组分i i的摩尔内

33、聚能的摩尔内聚能 组分组分i i的摩尔体积的摩尔体积 表示表示1 1摩尔溶剂分子间相互作用的摩尔溶剂分子间相互作用的总能量总能量，可从手，可从手册上查得。也可通过计算获得。册上查得。也可通过计算获得。第四十一页，本课件共有62页现代分离方法与技术现代分离方法与技术摩尔内聚能的计算摩尔内聚能的计算 在低于正常沸点的温度下，溶剂的摩尔内聚能与它的在低于正常沸点的温度下，溶剂的摩尔内聚能与它的摩尔蒸发潜能的关系可以近似地用下式表示：摩尔蒸发潜能的关系可以近似地用下式表示：按照按照Hildebrand规则，溶剂的规则，溶剂的 可从可从1大气压下该溶大气压下该溶剂的沸点（剂的沸点（Tbi）估算：）估算：

34、因此，可从溶剂的沸点因此，可从溶剂的沸点Tb估算其溶解度参数估算其溶解度参数。第四十二页，本课件共有62页现代分离方法与技术现代分离方法与技术溶解度参数的特点溶解度参数的特点(1)(1)溶解度参数溶解度参数 与溶剂极性参数与溶剂极性参数p p 是相互关联的，它反映是相互关联的，它反映了溶剂极性的大小。了溶剂极性的大小。(2)(2)两种溶剂的两种溶剂的 相同时，互溶性最好；相同时，互溶性最好；相差越大，互相差越大，互溶性越差。溶性越差。(3)(3)可用于溶剂萃取、色谱以及许多分离方法中溶质可用于溶剂萃取、色谱以及许多分离方法中溶质或溶剂极性大小的估算，分离过程中溶剂的选择。或溶剂极性大小的估算，

35、分离过程中溶剂的选择。(4)(4)包括了色散力、偶极力、质子接受性或给予性的贡包括了色散力、偶极力、质子接受性或给予性的贡献。献。第四十三页，本课件共有62页现代分离方法与技术现代分离方法与技术(4)罗氏（溶剂）极性标度（罗氏（溶剂）极性标度（p）n罗氏极性参数罗氏极性参数 选择选择3种模型化合物，分别代表典型的不同相互种模型化合物，分别代表典型的不同相互作用类型作用类型 乙醇乙醇（ethanolethanol）：代表质子给予体化合物；）：代表质子给予体化合物；二氧六环二氧六环(dioxane)(dioxane)：代表质子接受体化合物；：代表质子接受体化合物；硝基甲烷硝基甲烷(nitromet

36、hane)(nitromethane)：代表强偶极作用化合物：代表强偶极作用化合物 然后测定然后测定3种模型化合物在各种溶剂中的溶解性种模型化合物在各种溶剂中的溶解性（通过测定一定温度下混合物的蒸汽压来换算）。（通过测定一定温度下混合物的蒸汽压来换算）。第四十四页，本课件共有62页现代分离方法与技术现代分离方法与技术对于一种溶剂，可得到对于一种溶剂，可得到3种模型化合物在该溶剂中的相对溶种模型化合物在该溶剂中的相对溶解能解能He,Hd和和Hn。它们的和即为此种溶剂的总极性。它们的和即为此种溶剂的总极性p：即：即：p He Hd Hn每项每项相对溶解能所占的比例（相对溶解能所占的比例（选择性参数

37、选择性参数）：）：Xe=He/p 溶剂的质子接受强度分量溶剂的质子接受强度分量 Xd=Hd/p 溶剂的质子给予强度分量溶剂的质子给予强度分量 Xn=Hn/p 溶剂的偶极相互作用强度分量溶剂的偶极相互作用强度分量选择性参数：选择性参数：不同类型分子间相互作用在该溶剂总作用中所占不同类型分子间相互作用在该溶剂总作用中所占比例比例第四十五页，本课件共有62页现代分离方法与技术现代分离方法与技术n当两种溶剂的当两种溶剂的p 值相同时，我们说这两种溶剂极性相同，值相同时，我们说这两种溶剂极性相同，但若在它们的但若在它们的p 值中值中Xe不同，则不同，则Xe大的溶剂接受质子大的溶剂接受质子的强度在总极性的

38、强度在总极性p 中所占比例大。即中所占比例大。即体现出对质子给予体的体现出对质子给予体的选择性选择性。nRohr等人测定了等人测定了69种溶剂的种溶剂的p 值，结果是：值，结果是：p p 值值 小小 大大 极性极性 非极性溶剂非极性溶剂 极性极性表明：表明：p 值确实反映了溶剂极性的大小值确实反映了溶剂极性的大小第四十六页，本课件共有62页现代分离方法与技术现代分离方法与技术n溶剂选择性三角形溶剂选择性三角形 当分别以当分别以X Xe e，X Xd d和和X Xn n为三为三条边作等边三角形。每条边作等边三角形。每种溶剂在三角形中的位种溶剂在三角形中的位置正好与其置正好与其X Xe e，X X

39、d d和和X Xn n值值对应。结果发现对应。结果发现6969种溶种溶剂按结构的相似性集剂按结构的相似性集中分布于不同的中分布于不同的8 8个个区区域。域。第四十七页，本课件共有62页现代分离方法与技术现代分离方法与技术溶剂选择性三角形提示我们：溶剂选择性三角形提示我们：n尽管溶剂种类很多，但可以归于有限的几个尽管溶剂种类很多，但可以归于有限的几个选择性选择性组组。n在同一选择性组中的各种溶剂，都具有非常接近的在同一选择性组中的各种溶剂，都具有非常接近的3 3个个选择性参数（选择性参数（X Xe e，X Xd d和和X Xn n值），因此在分离过程中值），因此在分离过程中都有类似的性能，若要通

40、过选择溶剂改善分离，都有类似的性能，若要通过选择溶剂改善分离，就要选择不同组的溶剂。就要选择不同组的溶剂。第四十八页，本课件共有62页现代分离方法与技术现代分离方法与技术3.分离过程中溶剂选择的一般方法分离过程中溶剂选择的一般方法第一步：选择与溶质极性相等的溶剂第一步：选择与溶质极性相等的溶剂 要使溶质在溶剂中溶解度达到最大，首先要使溶质在溶剂中溶解度达到最大，首先要使溶质和溶剂的极性相等。要使溶质和溶剂的极性相等。第二步：调整溶剂的选择性第二步：调整溶剂的选择性 在维持极性相等的前提下，更换溶剂种类，使在维持极性相等的前提下，更换溶剂种类，使分离选择性达到最佳。分离选择性达到最佳。第四十九页

41、，本课件共有62页现代分离方法与技术现代分离方法与技术n混合溶剂混合溶剂 单一溶剂极性往往很难正好与溶质极性相符单一溶剂极性往往很难正好与溶质极性相符,混合溶剂可混合溶剂可以获得任意极性的溶剂以获得任意极性的溶剂;混合溶剂的极性与单一纯溶剂的极性的关系：混合溶剂的极性与单一纯溶剂的极性的关系：p p 1 1 p p 1 1 2 2 p p 2 2 =i i p p i i p p i i为纯溶剂为纯溶剂i i的极性参数；的极性参数；i i为纯溶剂为纯溶剂i i的体积分数的体积分数第五十页，本课件共有62页现代分离方法与技术现代分离方法与技术混合溶剂的选择方法混合溶剂的选择方法(1)1种非极性溶

42、剂（种非极性溶剂（p 接近接近0）+1种极性溶剂种极性溶剂 一一系列不同极性的混合溶剂（其系列不同极性的混合溶剂（其p 通过计算可知通过计算可知）(2)研究溶质在不同极性混合溶剂中的溶解度研究溶质在不同极性混合溶剂中的溶解度 从其最大从其最大溶解度所对应的混合溶剂的溶解度所对应的混合溶剂的p 值可知溶质的近似值可知溶质的近似p 值值。(3)替换极性溶剂（从溶剂选择性三角形中的不同组中替换极性溶剂（从溶剂选择性三角形中的不同组中挑选），并通过此极性溶剂的比例维持混合溶剂的最挑选），并通过此极性溶剂的比例维持混合溶剂的最佳佳p 值不变值不变 直至获得最佳分离。直至获得最佳分离。第五十一页，本课件共

43、有62页现代分离方法与技术现代分离方法与技术n混合溶剂选择实例混合溶剂选择实例 对于一个未知样品的分离对于一个未知样品的分离 (1)先任意选取两种溶剂（非极性极性）先任意选取两种溶剂（非极性极性）己烷己烷（非极性，（非极性，pA 0）+CHCl3（极性，（极性，pB 4.1）己烷己烷:CHCl3 1:9 .1:1 9:1（体积比）（体积比）p 3.69 2.05 0.41第五十二页，本课件共有62页现代分离方法与技术现代分离方法与技术(2)研究溶质在不同极性混合溶剂中的溶解度研究溶质在不同极性混合溶剂中的溶解度 极性参数极性参数p 对溶解度对溶解度S作图，作图，Smax值所对应的混合溶剂的比值

44、所对应的混合溶剂的比例是例是 S 己烷己烷:CHCl3 7:3 p max0.7 0+0.3 4.1=1.23 于是可知溶质于是可知溶质p 值也在值也在1.23附近附近 p max p 第五十三页，本课件共有62页现代分离方法与技术现代分离方法与技术(3)调整选择性调整选择性 保持保持p 1.23，更换极性溶剂的种类。，更换极性溶剂的种类。n因为同一选择性组的溶剂具有相同的选择性，所以应因为同一选择性组的溶剂具有相同的选择性，所以应从溶剂从溶剂选择性三角形中的不同组中挑选极性溶剂。选择性三角形中的不同组中挑选极性溶剂。如从第如从第I组中选乙醚（组中选乙醚（pB 2.8）p A p A B p

45、B 1.230+2.8 B B0.44 即：己烷即：己烷:乙醚乙醚（56:44）与己烷）与己烷:CHCl3（70:30）极性相）极性相等但选择性不同等但选择性不同 依次类推，直至找到最佳混合溶剂。依次类推，直至找到最佳混合溶剂。第五十四页，本课件共有62页现代分离方法与技术现代分离方法与技术4.3 疏水相互作用疏水相互作用n溶质溶于溶剂之中，除了溶质分子之间、溶剂分子溶质溶于溶剂之中，除了溶质分子之间、溶剂分子之间存在相互作用力之外，溶剂分子与溶质分子之之间存在相互作用力之外，溶剂分子与溶质分子之间也存在相互作用。间也存在相互作用。n非极性溶质（如烃类）很难溶解（均匀分散）在非极性溶质（如烃类

46、）很难溶解（均匀分散）在水中，在水中具有水中，在水中具有相互聚集相互聚集的倾向，这种性质称的倾向，这种性质称作作疏水性疏水性或疏水效应。或疏水效应。第五十五页，本课件共有62页现代分离方法与技术现代分离方法与技术疏水作用的解释疏水作用的解释n早期文献：多早期文献：多以范德华力解释以范德华力解释。即当非极性分子相互接。即当非极性分子相互接近到一定距离时，因范德华力而产生吸引。但是，甲烷近到一定距离时，因范德华力而产生吸引。但是，甲烷分子在水、其它溶剂、甚至真空中的范德华力几乎相同。分子在水、其它溶剂、甚至真空中的范德华力几乎相同。因此，不能用范德华力得到合理解释。因此，不能用范德华力得到合理解释

47、。n理解疏水作用时往往容易受到两个粒子间的力是由粒子理解疏水作用时往往容易受到两个粒子间的力是由粒子本身的性质所决定的这一基本思维模式所束缚，就像考本身的性质所决定的这一基本思维模式所束缚，就像考虑库仑力来自粒子本身所带电荷一样。然而，非极性分虑库仑力来自粒子本身所带电荷一样。然而，非极性分子表现出的疏水效应与其本身性质关系不大，而主要取子表现出的疏水效应与其本身性质关系不大，而主要取决于溶剂（水）的性质。决于溶剂（水）的性质。第五十六页，本课件共有62页现代分离方法与技术现代分离方法与技术水的内部结构特点水的内部结构特点n笼统地讲，液态水是由松散的动态的氢键网络组笼统地讲，液态水是由松散的动

48、态的氢键网络组成。成。n更细致地观察，水主要由规则点阵的受束缚有序更细致地观察，水主要由规则点阵的受束缚有序区和水分子通过氢键相联而成的不规则排列区所区和水分子通过氢键相联而成的不规则排列区所组成，结构中贯穿有单体水分子，并有不规则空组成，结构中贯穿有单体水分子，并有不规则空洞、点阵空位和笼点缀其间；也有链、小型聚合洞、点阵空位和笼点缀其间；也有链、小型聚合物以及键合的、自由的和截留的水分子。物以及键合的、自由的和截留的水分子。第五十七页，本课件共有62页现代分离方法与技术现代分离方法与技术第五十八页，本课件共有62页现代分离方法与技术现代分离方法与技术疏水水合作用疏水水合作用n当水中存在非极

49、性分当水中存在非极性分子时，水的氢键网络会子时，水的氢键网络会发生重排。为了保持氢发生重排。为了保持氢键的数目，水分子会在键的数目，水分子会在非极性溶质表面有序地非极性溶质表面有序地形成形成笼状排列（右图所示）笼状排列（右图所示）。这一过程称作疏水水。这一过程称作疏水水合作用。合作用。由水分子形成的十二面体由水分子形成的十二面体 第五十九页，本课件共有62页现代分离方法与技术现代分离方法与技术疏水作用机理疏水作用机理n疏水水合过程中溶质表面水分子的有序化，使形成溶质水合物疏水水合过程中溶质表面水分子的有序化，使形成溶质水合物过程的过程的熵熵减少。即不利于非极性分子溶于水；减少。即不利于非极性分

50、子溶于水；n但实验证明水合过程同时会产生较大的负生成焓（水化焓）但实验证明水合过程同时会产生较大的负生成焓（水化焓），即热力学上有利于非极性分子溶于水。，即热力学上有利于非极性分子溶于水。水化焓水化焓的主要来的主要来源是溶质表面水分子排列成规则的笼形而有利于形成更多源是溶质表面水分子排列成规则的笼形而有利于形成更多的氢键，与非极性分子的类型和大小无关。的氢键，与非极性分子的类型和大小无关。n由于由于熵变比水化焓负得更多，熵变比水化焓负得更多，所以所以 G G（=H-TH-T S S）大于零，）大于零，即非极性溶质向水中迁移的过程的即非极性溶质向水中迁移的过程的总自由能是增加的总自由能是增加的。