分子间相互作用与溶剂特性ppt课件

西南民族大学化学与环境保护工程学院 化工分离技术 刘东 电话 85928020 O 1339818603013018208697Email liudong81c QQ 972404487办公室BS 303 第4章分子间相互作用与溶剂选择 4 1分子间相互作用4 2静电相互作用4 3分子间范德华力4 4氢键相互作用4 5电荷转移相互作用4 6物质的溶解与溶剂极性4 7疏水相互作用 分离的基本思路 分子间相互作用是联系物质结构与性质的桥梁混合物A B否1 分子间相互作用分析分子结构是否有差别调整体系中 A B2 化学作用是3 外场作用与分离有关的性质上的差异使 A B不同选择分离方法 材料和条件 4 1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化学相互作用新物质的生成无有相互作用能弱强 0 15kJ mol 200 400kJ mol 方向性与饱和性无有 4 1分子间相互作用 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 键强度较弱 8 40kJ mol 有饱和性和方向性 电荷转移 键能较弱 5 40kJ mol 化合物不稳定 络合 配位 作用 强电荷转移相互作用 可分离得到晶体 分子间相互作用的表征 势能或分子间力 体系能量当两个分子a和b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a和b组成的体系的总能量等于它们各自的能量之和 即 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互接近到某一距离r时 由该双分子组成的体系的总能量UT中 增加了分子间相互作用势能U r U r 与分子a和b的结构及两分子对称中心间距离r有关 双体相互作用势能函数 体系总能量UT UT Ua Ub U r 分子间相互作用势能U r U r UT Ua Ub UT U 这种相互作用势能也称作 双体相互作用势能函数 Lennard Jones方程 式A和B为常数 通常实验测得r值 分子间相互作用力 分子间相互作用势能U r 在数值上等于将两个分子从无限远处推进至相距r处时所需作的功 相距r处两分子相互作用力F r 为 习惯上规定排斥力为正值 吸引力为负值 4 2分子间静电相互作用 假设两个分子 离子 所带电量分别为qi和qj 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 F 遵循库仑定律 对于荷电分子而言 qi和qj是单位电荷e的积分 则两个分子间的静电作用势能Uij为 4 3分子间范德华力 范德华力主要包括 永久偶极相互作用力 诱导偶极相互作用力 色散力 不同类型分子间三种相互作用的大小不同 1 色散力 色散相互作用原理 假定两个分子i和j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动 当此两分子恰好处于相邻位置时 由于分子i上的电子随机运动可能在某一瞬间t 电子在核周围的位置不对称 使分子中产生瞬时偶极距 i分子中的瞬时偶极距又在相邻分子j中诱导出一个相应的偶极 于是 分子i和j都具有了瞬时的偶极距 它们因静电作用而相互吸引 1 色散力 i分子中产生瞬时偶极矩ij 未被诱导 j分子被诱导产生偶极矩ij 1 色散力 色散 chromaticdispersion 相互作用势能Ii Ij分别为分子i和j的第一电离势 i j分别为i和j的极化率 各种分子之间的电离能相差不大 880 1100kJ mol 色散力主要取决于极化率 即化学键的性质 色散力 色散力无处不在 色散相互作用普遍存在于各类化合物中 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 许多有机物中 色散作用构成总吸引能的主要部分 极性化合物的分子间也存在色散相互作用 许多分离方法中 色散力起重要作用 色散力也是许多溶剂极性不同的主要原因 2 永久偶极相互作用 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势能 具有永久偶极矩 i和 j的分子i和j 其相互作用势能为 ij CD表示随机取向的偶极相互作用的平均作用能 例如 对季铵盐分子而言 i j 33 35 10 30c m 10dB 当r 1nm T 300K时 平均作用能为9 7kJ mol 而最大偶极相互作用能 偶极方向反平行 为50kJ mol 3 诱导偶极相互作用 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 分子中的电荷常常发生分离 被诱导产生偶极 诱导偶极距 与外加电场强度E成正比 E 为被诱导分子的极化率 诱导能 一个非极性 或弱极性 分子i处于邻近极性分子j的电场中时 所产生的平均诱导能为 例如 四氯化碳 环己烷 甲苯 正庚烷等的固有偶极矩很小 但它们被诱导的极化率 值 较高 分别为105 109 123 136c m3 因而在极性溶剂中均有较高的极化能 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 例如 在40 C液态2 丁酮的内聚能计算值由8 的定向作用能 14 的诱导作用能和78 的色散作用能组成 极性分子间 三种力都有 永久偶极相互作用为特色 非极性分子间 主要是色散作用 含不饱和或易极化键分子间 诱导相互作用为特色 4 4氢键相互作用 1 氢键氢原子在分子中与电负性较大的原子X形成共价键时 还可以吸引另一个电负性较大的原子Y 形成较弱化学结合 氢键 X H Y2 氢键的形成机理在H X共价键中 电负性较大的X原子强烈吸引H原子的核外电子云 使H核几乎成为裸露状态 H核 即质子 半径相当小 0 03nm 且无内层电子 与电负性大的Y有较强的静电相互作用 从而形成氢键 4 4氢键相互作用 3 氢键的强弱与X和Y原子的电负性有关X Y原子的电负性越大 形成的氢键越强与X和Y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 形成的氢键越强 例如 F原子的电负性最大 原子半径较小 所以 F H F中的氢键最强 4 5电荷转移相互作用 1 Lewis酸碱Lewis酸 具有较强电子接受能力的化合物Lewis碱 具有较强电子给予能力的化合物2 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3 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 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 4 5电荷转移相互作用 4 电荷转移反应D A D A D A a b a 表示D和A由一般分子间力连接 D和A之间未发生电荷转移作用 b 表示电荷从D转移至A形成近于离子键状态的络合物 4 5电荷转移相互作用 5 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响很大 吸电子基团使不饱和烃成为电子接受体常见吸电子基团 N CH3 3 NO2 CF3 O COOH CHO CN X COR SO3H 电子接受体化合物 1 3 5 三硝基苯 四氰基乙烯 4 5电荷转移相互作用 推电子基团使不饱和烃成为电子给予体常见推电子基团 CH3 NH2 OH NHCOCH3 C6H5 OCH3电子给予体化合物 1 3 5 三甲基苯 苯胺 4 5电荷转移相互作用 6 其他电子接受体与给予体接受体空轨道接受体 pt IV Ag Cu BX3 SbX5 接受体 I2 Br2 接受体 SO2 Br2大分子接受体 C60 C70给予体n 给予体 胺 酰胺 酮 酯 醇 醚 亚砜 给予体 卤代烷烃 7 软硬酸碱理论 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 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 形成以离子键为主的化学键 通常硬酸易与硬碱结合 软酸易与软碱结合 4 5电荷转移相互作用 8 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 CuCl2已用于乙炔 乙烯 丁二烯 苯乙烯的工业分离 4 5电荷转移相互作用 9 不饱和化合物与过渡金属离子之间的化学键不饱和化合物与过渡金属离子之间形成一个 成分和一个 成分的键 例如 银离子和乙烯的电荷转移络合物乙烯的 轨道与Ag 的5S轨道重叠 形成 成分乙烯的反 轨道与Ag 的d轨道重叠 即Ag 的d轨道向乙烯反 空轨道给电子 4 5电荷转移相互作用 10 电荷转移络合物的离解压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 固体平衡C2H4 g CuCl s CuCl C2H4 s 因为 在给定温度下 固体组分在气相中的分压为常数 等于其蒸汽压 且很小 所以 PC2H4 常数 4 5电荷转移相互作用 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物的离解压 1 当乙烯的实际分压大于离解压时 形成稳定的络合物 2 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 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 4 6溶解与溶剂极性 溶剂不仅提供分离环境介质 而且参与分离 1 物质的溶解过程 1 溶质分子A 克服自身分子间的相互作用势能 HAA 而单离成独立的分子 HAA越大 溶解越困难 2 溶剂分子B 之间的键断裂 并生成 空隙 以容纳溶质分子 HBB越大 溶解越困难 3 溶质与溶剂之间形成新键 此过程释放能量HAB 4 6溶解与溶剂极性 1 溶质分子 键 断裂 3 溶质与溶剂分子 键 生成HAAHBB2HAB 2 溶剂分子 键 断裂 4 6溶解与溶剂极性26 3 10 溶解过程的能量变化 HAB HAA HBB 2HAB HAB 0 难溶 HAB 0 易溶 HAB 0 可溶 4 6溶解与溶剂极性 一些溶解现象的定性解释ABHAAHBBHAB HAB互溶性己烷水小大 氢键 小 难溶己烷戊烷小小小 0可溶己烷丙酮小小大 氢键 易溶 4 6溶解与溶剂极性 相似相溶 规律的局限性在很多情况下是正确的 但例外也很多例 1 酸性物质易溶于碱性物质18羧酸与乙酸的互溶性不如18羧酸与胺 或吡啶 2 电子给予体易溶于电子接受体 3 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 4 6溶解与溶剂极性 2 溶剂的极性 1 溶剂 极性 的定义 至今未统一 几种定义如下 指溶剂的永久偶极矩 指溶剂的介电常数 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 H 的贡献 该定义比较准确 将据此定义讨论溶剂极性问题 4 6溶解与溶剂极性 2 溶剂极性的标度偶极矩介电常数水 辛醇体系中分配系数溶解度参数罗氏极性参数 3 溶解度参数 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 数学定义式组分i的摩尔内聚能组分i的摩尔体积表示1摩尔溶剂分子间相互作用的总能量 可从手册上查得 也可通过计算 下页 获得 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摩尔蒸发潜能的关系可以近似地用下式表示 按照Hildebrand规则 溶剂的可从1大气压下该溶剂的沸点 Tbi 估算 因此 可从溶剂的沸点Tb估算其溶解度参数 溶解度参数的特点 1 溶解度参数 与溶剂极性参数p 是相互关联的 它反映了溶剂极性的大小 2 两种溶剂的 相同时 互溶性最好 相差越大 互溶性越差 3 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 4 包括了色散力 偶极力 质子接受性或给予性的贡献 4 罗氏 溶剂 极性标度 p 罗氏极性参数选择3种模型化合物 分别代表典型的不同相互作用类型乙醇 ethanol 代表质子给予体化合物 二氧六环 dioxane 代表质子接受体化合物 硝基甲烷 nitromethane 代表强偶极作用化合物然后测定3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 4 6溶解与溶剂极性 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解能He Hd和Hn 它们的和即为此种溶剂的总极性p 即 p He Hd Hn每项相对溶解能所占的比例 选择性参数 Xe He p 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Xn Hn p 溶剂的偶极相互作用强度分量选择性参数 不同类型分子间相互作用在该溶剂总作用中所占比例 4 6溶解与溶剂极性 当两种溶剂的p 值相同时 我们说这两种溶剂极性相同 但若在它们的p 值中Xe不同 则Xe大的溶剂接受质子的强度在总极性p 中所占比例大 即体现出对质子给予体的选择性 Rohr等人测定了69种溶剂的p 值 结果是 p 值小 大极性非极性溶剂 极性表明 p 值确实反映了溶剂极性的大小 4 6溶解与溶剂极性 溶剂选择性三角形当分别以Xe Xd和Xn为三条边作等边三角形 每种溶剂在三角形中的位置正好与其Xe Xd和Xn值对应 结果发现69种溶剂按结构的相似性集中分布于不同的8个区域 4 6溶解与溶剂极性 溶剂选择性三角形提示我们 尽管溶剂种类很多 但可以归于有限的几个选择性组 在同一选择性组中的各种溶剂 都具有非常接近的3个选择性参数 Xe Xd和Xn值 因此在分离过程中都有类似的性能 若要通过选择溶剂改善分离 就要选择不同组的溶剂 3 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 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 使分离选择性达到最佳 4 6溶解与溶剂极性 混合溶剂单一溶剂极性往往很难正好与溶质极性相符 混合溶剂可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 p 1p 1 2p 2 ip ip i为纯溶剂i的极性参数 i为纯溶剂i的体积分数 混合溶剂的选择方法 1 1种非极性溶剂 p 接近0 1种极性溶剂 一系列不同极性的混合溶剂 其p 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 从其最大溶解度所对应的混合溶剂的p 值可知溶质的近似p 值 3 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佳p 值不变 直至获得最佳分离 4 6溶解与溶剂极性 混合溶剂选择实例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 己烷 非极性 pA 0 CHCl3 极性 pB 4 1 己烷 CHCl31 9 1 1 9 1 体积比 p 3 692 050 41 4 6溶解与溶剂极性 2 研究溶质在不同极性混合溶剂中的溶解度极性参数p 对溶解度S作图 Smax值所对应的混合溶剂的比例是S己烷 CHCl3 7 3p max 0 7 0 0 3 4 1 1 23于是可知溶质p 值也在1 23附近p maxp 4 6溶解与溶剂极性 3 调整选择性保持p 1 23 更换极性溶剂的种类 因为同一选择性组的溶剂具有相同的选择性 所以应从溶剂选择性三角形中的不同组中挑选极性溶剂 如从第I组中选乙醚 pB 2 8 p Ap A Bp B 1 23 0 2 8 B B 0 44即 己烷 乙醚 56 44 与己烷 CHCl3 70 30 极性相等但选择性不同依次类推 直至找到最佳混合溶剂 4 7疏水相互作用 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间也存在相互作用 非极性溶质 如烃类 很难溶解 均匀分散 在水中 在水中具有相互聚集的倾向 这种性质称作疏水性或疏水效应 疏水作用的解释 早期文献 多以范德华力解释 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 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 而主要取决于溶剂 水