Prawo podziału Nernsta

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacja, szukaj

Prawo podziału Nernsta albo krótko prawo podziału określa sposób, w jaki dowolna substancja chemiczna ulega podziałowi pomiędzy dwie oddzielone od siebie, ale pozostające w kontakcie fazy objętościowe (ośrodki). Układy, w których może zaistnieć równowaga podziałowa (rodzaj równowagi dynamicznej), to np. gazy lub pary rozdzielone membraną półprzepuszczalną, gaz i ciecz oraz dwie ciecze niemieszające się lub oddzielone membraną.

Prawo podziału Nernsta wyraża się wzorem:

K_{X(12)} = \frac{[X]_{1}}{[X]_{2}}

gdzie: K_{X(12)} - stała podziału substancji X pomiędzy fazy "1" i "2" (zwana też współczynnikiem podziału), [X]_{i} - stężenie substancji X w fazie "i"

Należy podkreślić, że równanie określa równowagowe stężenia w obu fazach, natomiast ilości substancji w obu fazach zależą od objętości (stosunku objętości) obu faz.

W powyższym wzorze stężenie [X] (do wyrażenia stężenia często używa się symbolu c) można składnika obecnego w fazie gazowej zastąpić ciśnieniem p według wzoru wynikającego z równania Clapeyrona (równania stanu gazu idealnego):
c = \frac{n}{v} = \frac{p}{RT} oraz p = \frac{n}{v} RT = c RT

W praktycznych zastosowaniach przyjęło się, że dla podziału substancji w układzie gaz/ciecz oraz ciecz/ciecz w liczniku równania umieszcza się stężenie (lub ciśnienie) składnika w górnej fazie (gaz lub ciecz o niższej gęstości). Jeżeli układ składa się z cieczy organicznej i wody, wówczas najczęściej faza organiczna ("o") jest fazą górną, a faza wodna ("w") jest fazą dolną i prawo podziału możemy zapisać jako:

- w układzie ciecz organiczna/woda: K_{X(ow)} = \frac{[X]_{o}}{[X]_{w}}

Jeżeli mamy do czynienia z równowagą podziału X pomiędzy fazę gazową "g" oraz fazę ciekłą "l" możemy w najprostszy sposób opisać ją równaniem:

- w układzie gaz/ciecz: K_{X(gl)} = \frac{p_{X}}{[X]_{l}}

Należy zwrócić uwagę na fakt, że to ostatnie wyrażenie jest matematycznie identyczne z prawem Henry'ego dotyczącym absorpcji – mechanizmem absorpcji jest podział pomiędzy dwie fazy objętościowe.

Współczynniki podziału (stałe podziału) substancji pomiędzy dwie niemieszające się ciecze można często oszacować wykorzystując dane nt. rozpuszczalności tej substancji w obu cieczach.

Należy podkreślić, że prawo podziału Nernsta dotyczy identycznych form substancji X w obu fazach. Jeżeli cząsteczki podlegające podziałowi ulegają takim procesom jak asocjacja (zależy nieliniowo od stężenia) czy dysocjacja (zależy od pH, zależy nieliniowo od stężenia), prawo podziału będzie nadal słuszne dla identycznych form tej substancji w obu fazach, ale nie dla całkowitego jej stężenia.

Przykładem układu, w którym prawo Nernsta nie będzie w prosty sposób zachowane, może być np. podział kwasu benzoesowego czy salicylowego (aromatyczne kwasy karboksylowe) pomiędzy rozpuszczalniki o różnej polarności, fazę wodną i fazę organiczną. W wodzie – rozpuszczalniku polarnym – kwasy ulegają dysocjacji, w roztworze obecne są obojętne cząsteczki i aniony. W słabo polarnym rozpuszczalniku organicznym (np. benzen lub toluen), w którym nie zachodzi dysocjacja elektrolityczna, budowa cząsteczek kwasów karboksylowych powoduje, że mają one tendencję do dimeryzacji na skutek tworzenia wiązania wodorowego. Jeżeli jesteśmy w stanie obliczyć skład roztworu wodnego (musimy znać stałą dysocjacji) oraz skład roztworu organicznego (musimy określić stałą równowagi procesu asocjacji), wówczas możemy wykorzystać prawo podziału Nernsta działające dla obojętnych cząsteczek, aby opisać równowagę podziałową w takim układzie.

Należy również zwrócić uwagę na fakt, że nawet gdy substancja nie zmienia swojej formy cząsteczkowej przechodząc pomiędzy fazami, te proste równania dotyczą raczej niskich stężeń (ciśnień).

Zobacz też[edytuj | edytuj kod]