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分析化学3 / 第 12 回

液液分配と抽出率:分配定数・分配比の使い方

液液分配与抽出率:分配常数·分配比的用法
分析化学3 🔑 難易度 ★★★★ 📌 液液分配・抽出・分配定数・分配比・抽出率
式の使い分け 公式区分K_Dは「同じ形Aだけ」、Dは「全部の形を足す」。酸塩基平衡が絡む問題では、この区別が一番大事。K_D只看同一形态A,D把全部形态加总。涉及酸碱平衡时,这个区分最重要。
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本講のポイント本课重点

液液分配は、混ざり合わない水相と有機相の間で溶質が分かれる平衡である。液液分配是溶质在不互溶的水相和有机相之间分配的平衡。
極性・電荷を持つ化学種は水相に残りやすく、中性で疎水的な化学種は有機相へ移りやすい。带极性/电荷的化学种易留在水相,中性疏水化学种易进入有机相。
分配定数 K_D は、同じ化学種Aの有機相濃度と水相濃度の比である。分配常数K_D是同一化学种A在有机相和水相浓度之比。
分配比 D は、有機相にある全濃度/水相にある全濃度で、酸塩基平衡など全形を含める。分配比D是有机相总浓度/水相总浓度,会把酸碱平衡等全部形态算进去。
抽出率Eは、有機相へ移った物質量を全物質量で割った割合で、Dと相体積比で決まる。抽出率E是进入有机相的物质的量/总物质的量,由D和两相体积比决定。
❓ この回で答えたい問い / 这节要解决的问题
水に溶けた成分を、有機溶媒へどれだけ移せるかをどう計算するか?
水中的成分能被有机溶剂抽出多少,怎样计算?
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講義の流れ这节课老师一步步讲了什么

🟢 緑=重要 / 绿色=重点○ 淡色=流れ / 淡色=过程💬 灰=余談 / 灰色=老师的闲话枝节
① 小テスト復習
過マンガン酸・鉄/セリウム系の当量点電位などを復習し、半反応式とpH条件を確認した。先复习小测:高锰酸根、Fe/Ce体系的当量点电位等,确认半反应和pH条件。
② 今日のテーマは液液分配
分液漏斗で、水相とクロロホルムなどの有機相を接触させ、溶質がどちらへ移るかを見る話に入った。今天主题是液液分配:用分液漏斗让水相和氯仿等有机相接触,观察溶质向哪一相移动。
③ 中性種だけが移りやすい
H₂X⁺、HX、X⁻のように複数形があると、電荷を持つ種は水相に残り、中性のHXが有機相へ移りやすい。若有H₂X⁺、HX、X⁻等多种形态,带电形态留在水相,中性HX更易进入有机相。
④ K_D と D を分ける
K_Dは特定の化学種Aだけの相間比、Dは全化学形を合計した濃度比であり、分析で実際に使うのはDになることが多い。区分K_D与D:K_D是特定化学种A的相间比,D是全部化学形合计后的浓度比;实际分析常用D。
⑤ 抽出率と体積比
Dが同じでも、有機相体積を増やせば抽出率は上がる。ただし一度に巨大な量を使うより、同じ総量なら複数回抽出が有利になる。D相同时,增加有机相体积可提高抽出率;但比起一次用巨大体积,相同总量下多次抽出更有利。
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知識マップ知识图谱(先看这张抓全局)

二相两相
水相水相
有機相有机相
液液界面液液界面
化学種化学形态
中性種HX中性种HX
イオン種H₂X⁺/X⁻离子种H₂X⁺/X⁻
極性と疎水性极性与疏水性
定数常数
K_D=[A]O/[A]WK_D=[A]O/[A]W
D=全濃度比D=总浓度比
酸塩基平衡を含む包含酸碱平衡
抽出率抽出率
E=抽出量/全量E=抽出量/总量
Dと体積比で決まる由D和体积比决定
複数回抽出が有利多次抽出更有利
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分配は“性質”と“形”と“量”で決まる分配由性质、形态和体积决定

性質を見る
極性・電荷が大きいほど水相、疎水的で中性なら有機相へ行きやすい。先看性质:极性/电荷越大越偏水相,疏水且中性越偏有机相。
形を足す
酸塩基平衡で複数の形があると、分析上は全濃度を足したDで考える。再合并形态:有酸碱平衡等多种形态时,分析上用总浓度的D。
体積で調整する
同じDでも、相体積比と抽出回数で有機相へ移る割合が変わる。最后用体积调节:同样D下,两相体积比和抽出次数会改变进入有机相的比例。
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解説详细讲解

1. 液液分配とは 1. 什么是液液分配

液液分配は、水相と有機相のように互いに混ざり合わない二つの液体の間で、溶質がどちらにどれだけ存在するかという平衡である。分液漏斗で水とクロロホルムなどを振り混ぜると、溶質は自分にとって安定な相へ移る。一般に、電荷を持つもの・極性の強いものは水相、中性で疎水的なものは有機相に移りやすい。液液分配是在水相与有机相等互不混溶的两种液体之间,溶质分别存在多少的平衡。用分液漏斗振荡水和氯仿等时,溶质会移向对自己更稳定的相。一般带电/强极性物质偏水相,中性疏水物质偏有机相。

2. K_D と D の違い 2. K_D与D的区别

K_D = [A]_O / [A]_W

分配定数 K_D は、同じ化学種Aが有機相Oと水相Wにどれだけ分かれるかを表す。これに対して分配比 D は、各相に存在する全化学形の濃度を足し合わせた比である。酸塩基平衡で H₂X⁺、HX、X⁻ のように複数形がある場合、実際に抽出量を考えるにはDが重要になる。分配常数K_D表示同一个化学种A在有机相O与水相W中的分配。相对地,分配比D把各相中存在的全部化学形态浓度加总后取比。若有H₂X⁺、HX、X⁻等酸碱形态,实际考虑抽出量时D更重要。

3. 抽出率E 3. 抽出率E

E = 有機相へ移った量 / 全量 × 100

抽出率は、有機相へ移った物質量を全物質量で割った割合である。授業では、元の水相濃度を1%まで下げるには、有機相体積が V_O = 99/K_D × V_W 必要になる例を扱った。K_Dが1なら水相の99倍、K_Dが9なら11倍、K_Dが99なら同程度の有機相でよい。K_Dが大きいほど抽出しやすい。抽出率是进入有机相的物质的量除以总量。课堂例子:若要把原水相浓度降到1%,所需有机相体积为V_O=99/K_D×V_W。K_D=1时需99倍水相体积,K_D=9时需11倍,K_D=99时同体积左右即可。K_D越大越容易抽出。

4. 複数回抽出の考え方 4. 多次抽出的思路

一度に大量の有機溶媒を使うより、同じ総量を何回かに分けて抽出した方が、水相に残る量を減らしやすい。これは、抽出するたびに新しい有機相が水相と平衡を作り直すためである。式を暗記する前に、「残った分に対してもう一回平衡をかける」と考えると分かりやすい。比起一次使用大量有机溶剂,把同样总量分成多次抽出更容易减少水相残留。这是因为每次抽出都用新的有机相与水相重新建立平衡。记公式前,可先理解为“对剩余部分再做一次平衡”。

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つまずきポイント容易错的地方

❌ K_D と D は同じ意味
✅ K_Dは単一化学種、Dは全化学形を足した比
误:K_D和D相同。正:K_D看单一化学种,D看全部化学形态。
❌ イオンも有機相へ同じように移る
✅ 電荷を持つ種は水相に残りやすい
误:离子也同样进入有机相。正:带电形态更易留水相。
❌ 有機溶媒は一度に全部入れる方が必ずよい
✅ 同じ総量なら複数回抽出の方が有利なことが多い
误:有机溶剂一次全加最好。正:同总量下多次抽出常更有利。

基礎問題基础理解题(这些懂了就过关)

基礎分配定数 K_D を濃度で表せ。用浓度表示分配常数K_D。
活動度係数を無視すれば、K_D = [A]_O/[A]_W忽略活度系数时,K_D=[A]_O/[A]_W。
基礎分配比 D は何を表すか。分配比D表示什么?
有機相にある全濃度を、水相にある全濃度で割った比。酸塩基など複数の形を合計する。有机相总浓度除以水相总浓度;酸碱等多种形态要合计。
基礎中性HXとイオン形H₂X⁺/X⁻では、どれが有機相へ移りやすいか。中性HX与离子形H₂X⁺/X⁻中,哪个更易进入有机相?
中性HX。イオン形は水相に残りやすい。中性HX;离子形更易留在水相。
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発展問題进阶题

発展K_D=9で、水相濃度を1%まで下げたい。必要な有機相体積は水相の何倍か。K_D=9时,想把水相浓度降到1%,所需有机相体积是水相几倍?
授業の式 V_O = 99/K_D × V_W を使うと、V_O = 99/9 × V_W = 11 V_W。水相の11倍。用课堂公式V_O=99/K_D×V_W,得V_O=99/9×V_W=11V_W,即水相的11倍。
発展酸塩基平衡を持つ物質でK_Dだけを見ると不十分な理由を説明せよ。说明有酸碱平衡的物质为什么只看K_D不够。
K_Dは特定の中性種など一つの化学形だけの相間分配を示す。しかし実際の水相にはイオン形や別のプロトン化状態も存在し、それらは有機相へ移りにくい。抽出される総量を知るには、各形の濃度を全部足した分配比Dで考える必要がある。K_D只表示特定中性种等单一化学形态的相间分配。但实际水相中还有离子形或不同质子化状态,它们不易进入有机相。要知道总抽出量,就必须用把各形态浓度加总的分配比D。
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