Вы вошли как ГостьПриветствую Вас, Гость
Главная » 2015 » Январь » 13 » Водно-спиртовые смешанные растворители
16:13
Водно-спиртовые смешанные растворители

   Применение смешанных растворителей позволяет достичь практически любых требуемых свойств жидкой среды, что крайне важно для управления многими химическими и физико-химическими процессами. Например, экстракция, конденсация, синтез высокомолекулярных соединений, промывка продукта реакции, перекристаллизация и мн. другие. Кроме того, в природе и в промышленных процессах практически никогда нет чистых или относительно чистых индивидуальных растворителей. Поэтому сложно переоценить важность изучения смешанных растворителей (СР).

   Водно-спиртовые СР являются ярким примером водно-органического СР с диполярным органическим компонентом. Диполярным называют органический растворитель, имеющий в составе две сильно отличающиеся группы. Для спиртов это гидроксил и алкильный фрагмент.

   Алкильный фрагмент спиртов является малополярной частью молекулы спирта, гидроксильная группа отличается заметной полярностью и способна к образованию достаточно сильных межмолекулярных взаимодействий. Молекулы воды, по сравнению с молекулами практически любой органики, являются намного полярнее и образуют трехмерную тетраэдрическую сетку водородных связей.

   Выделяют три структурные области на графиках состояния водно-спиртовых растворов. В области наименьших концентраций органического компонента (в данном случае, спирта) молекулы спирта располагаются в пустотах структуры воды. Чем ниже температура СР, тем больше водородных связей и, следовательно, больше свободных пустот. Проникновение молекул спирта в свободные полости воды приводит к усилению межмолекулярных связей между молекулами воды. Это вызвано гидрофобностью алкильных фрагментов спиртов, которые отталкиваются от полярных молекул воды, “сдвигая” их ближе друг к другу. Данный эффект называется – гидрофобная гидратация.

   Гидрофобная гидратация сопутствует процессу растворения в воде всех неполярных соединений: благородные газы, молекулы неполярных газов (водород, кислород, азот), низших алканов и пр. Так же, гидрофобная гидратация присутствует в некоторой степени в растворах на основе всех достаточно полярных растворителей, например, сжиженных галогеноводородов или карбоновых кислот. Отличительной чертой таких растворов является наличие прочной сетки водородных связей и некоторого количества пустот в структуре, которые и заполняют неполярные молекулы или малополярные фрагменты молекул второго компонента.

   Гидрофобные эффекты включают две составляющие: воздействие малополярных молекул на сетку водородных связей основного компонента растворителя и гидрофобное взаимодействие молекул малополярного компонента между собой.

   Алкильные фрагменты молекул принято считать неполярными, если они не способны к образованию водородных связей с энергией, большей, чем энергия неспецифических взаимодействий. Под это условие подпадают все одноатомные алифатические спирты, кроме некоторых их галогенсодержащих производных. Чаще всего, эффекты гидрофобной гидратации рассматривают на наиболее распространенном примере – водных растворах малополярных органических соединений и/или благородных газов.

   Подразделяют два механизма попадания неполярной молекулы в структуру воды: внедрение (гидрофильный механизм) и внедрение-замещение (гидрофобный механизм). Внедрение сопровождается одновременным вытеснением молекулы воды из каркаса сетки водородных связей в “льдоподобную фазу” (рыхлая фаза воды между элементами каркаса из молекул воды, практически не связанная водородными связями). Данный механизм приводит к внедрению в каркас сетки водородных связей молекул органического компонента, что возможно лишь при наличии в составе молекулы органического компонента достаточно полярных групп. Для алифатических спиртов данный механизм не является доминирующим.

   Внедрение-замещение начинается с проникновения молекулы органического компонента в свободные полости структуры воды с вытеснением свободных молекул воды из “льдоподобной фазы” в трехмерно сшитый каркас. Этот эффект сопровождается упрочнением структуры воды вплоть до заполнения всех свободных полостей. Чем ниже температура, тем выше концентрация органического компонента соответствующая заполнению всех свободных полостей в структуре воды. Заполнение всех свободных объемов воды при 25*С соответствует для метилового спирта 19,7 мольных процентов, для этилового спирта 3,5 мол. %. Разница связана с большим размером и меньшей полярностью алкильного фрагмента этилового спирта.

   Добавка дополнительных порций спирта приводит к разрушению структуры воды за счет теплового движения молекул спирта в полостях, что приводит к снижению прочности стрехмерной сетки водородных связей. Данный процесс протекает постепенно и занимает достаточно большой концентрационный интервал на графических зависимостях всех физических параметров состояния водно-спиртовых СР.

   В конце процесса разрушения сетки водородных связей между молекулами воды, мы приходим к двухмерным (линейным и/или слоистым) ассоциатам из молекул спирта, которые образуют свою структуру, полости в которой и занимают молекулы воды (уже не дающие крупных надмолекулярных образований с прочными водородными связями).

   Это позволяет выделить три концентрационные области состояния водно-спиртовых СР: вода с молекулами органического компонента в свободных полостях, переходная структура водно-спиртового СР, и структура спирта с внедренными отдельными молекулами воды.

   Подробнее о переходных структурах и зависимостях физических свойств СР от температуры и концентрации компонентов мы поговорим в следующей нашей беседе.

Категория: Физическая химия растворов | Просмотров: 887 | Добавил: Chemadm | Теги: теория растворов, органические растворители, смешанные растворители | Рейтинг: 5.0/4
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]