问题

两种有机溶剂不互溶且都不溶于水,这样的有机溶剂有哪些?

回答
我明白您的意思。您想了解一些有机溶剂,它们之间不互相溶解,并且同时也都不溶于水。这种组合在分离纯化有机物、萃取等方面是非常实用的。

市面上存在不少这样的溶剂组合,它们各自的特性也决定了它们在不同场景下的应用。下面我给您介绍几个典型的例子,并尽量详细地解释它们为什么会这样,以及它们在实际中的一些考量。

理解“不互溶”和“不溶于水”

在深入介绍溶剂之前,我们先快速回忆一下为什么会有“互溶”和“不互溶”这回事。这主要跟溶剂的极性有关。

相似相溶(Like Dissolves Like):这是判断溶剂能否溶解物质(包括其他溶剂)的基本原则。
极性溶剂(如水、乙醇、乙酸乙酯)通常含有极性官能团(如OH, COOH, C=O, COC),分子内存在电荷分布不均,能够很好地溶解其他极性物质。
非极性溶剂(如己烷、苯、甲苯)分子内电荷分布相对均匀,通常只含有CH键和CC键,能够很好地溶解其他非极性物质。
中等极性溶剂(如二氯甲烷、乙醚、丙酮)则介于两者之间。

水:水是极性非常强的溶剂,它分子内存在很强的氢键作用,因此它能很好地溶解极性物质和离子化合物。

所以,如果您要找两种“不互溶”且“都不溶于水”的有机溶剂,那就意味着:

1. 其中一种溶剂(或两种)的极性要足够大,但又不是水那样能形成强大氢键网络;或者,它们都属于相对非极性的范畴,但彼此之间相互作用力不足以形成均一的混合物。
2. 它们与水都缺乏足够强的相互作用力(如氢键、强偶极偶极作用)来克服溶剂自身的分散力和范德华力,因此水无法将它们“拉”进去形成均一溶液。

常见的“不互溶”且“不溶于水”的有机溶剂组合

这里列举一些经典的例子,并解释它们的特性:

1. 己烷(Hexane)与乙酸乙酯(Ethyl Acetate)

己烷:
性质:是一种直链烷烃,分子结构简单,碳氢键接近非极性,因此己烷是典型的非极性溶剂。它是一种无色液体,有汽油味。
溶解性:能很好地溶解非极性物质,如油脂、蜡、许多有机物。
与水关系:由于己烷是非极性的,与极性很强的水几乎不互溶,比重也比水轻,会浮在水面上。
与乙酸乙酯关系:己烷是非极性溶剂,而乙酸乙酯虽然含有酯基(C=O 和 CO),使其具有一定的极性,但整体上它也是一种中等极性溶剂,并且酯基可以作为氢键受体。因此,己烷和乙酸乙酯可以视为不完全互溶,或者在一定比例下会形成两层。在层析(如硅胶柱层析)中,我们常常用不同比例的己烷和乙酸乙酯来调控溶剂的极性,这本身就说明它们不是无限互溶的,而是可以形成分层体系。通常,当乙酸乙酯比例较低时,它们会比较好地混合;但当乙酸乙酯含量达到一定程度,并且两者相互作用不足以克服各自的分子间作用力时,就可能出现分层。

乙酸乙酯:
性质:是一种酯类溶剂,分子中有酯基(COO),这赋予了它一定的极性,可以作为氢键受体。它具有令人愉悦的果香味。
溶解性:能溶解中等极性的有机物,如许多天然产物、某些聚合物、药物等。
与水关系:乙酸乙酯与水有一定程度的溶解度(约8 g/100 mL at 20 °C),所以严格来说它并非完全不溶于水,但这个溶解度相对较低,在很多萃取操作中,可以近似地认为它“不溶于水”而形成两相。
与己烷关系:如上所述,两者极性有差异,可以不互溶或部分互溶,形成两层。

实际应用场景:在液液萃取或者薄层色谱(TLC)、柱层析等分离技术中,经常会用到己烷和乙酸乙酯的混合溶剂。例如,如果目标产物在中性或弱极性溶剂中溶解度不好,但又需要与水区分开,就可以用己烷作为主要的低极性组分,再加入一定量的乙酸乙酯来提高溶解度,同时它们与水之间良好的分层特性,方便了萃取操作。

2. 甲苯(Toluene)与二氯甲烷(Dichloromethane, DCM)

甲苯:
性质:是一种芳香烃,分子中有苯环,是一个非极性或弱极性溶剂。它是一种无色液体,有苯的芳香气味。
溶解性:能很好地溶解非极性或弱极性有机物,如油脂、树脂、某些橡胶。
与水关系:甲苯是非极性溶剂,与极性极强的水不互溶,比重比水轻,浮在水面上。
与二氯甲烷关系:甲苯是非极性,而二氯甲烷虽然是卤代烃,但由于氯原子的吸电子效应,CCl键是极性的,氯原子之间相对对称也降低了整体极性,所以二氯甲烷是一种中等极性溶剂。非极性的甲苯和中等极性的二氯甲烷,它们之间不互溶,会形成明显的两层。

二氯甲烷:
性质:分子中含有CCl键,具有一定的极性,但由于分子结构的原因,它被归类为中等极性溶剂。它是一种无色、有挥发性的液体,有甜味。
溶解性:能溶解许多有机物,包括极性较强的化合物,如蛋白质、多肽,以及许多中等极性的有机合成中间体和产物。
与水关系:二氯甲烷与水不互溶,但它比水重,所以萃取时会沉在水下。
与甲苯关系:如上所述,两者极性差异大,不互溶。

实际应用场景:这种组合也非常常见。例如,在药物化学或天然产物提取中,目标化合物可能在甲苯中溶解度不错(因为它能溶解非极性部分),但需要一个更强的极性溶剂来帮助溶解某些中等极性成分。而甲苯和二氯甲烷的不互溶性,以及它们各自与水的不互溶性,使得它们在需要对水相和有机相进行分离时非常有用。比如,对水溶液进行萃取,用二氯甲烷作为萃取溶剂,它与水不混溶,且比水重,容易分离。如果目标物在二氯甲烷中溶解度不够,而又需要一个非极性溶剂与之配合,甲苯就是个不错的选择,虽然它们不混溶,但在某些特定的分步萃取或混合溶剂体系中,可以利用它们的这种特性。

3. 环己烷(Cyclohexane)与乙醚(Diethyl Ether)

环己烷:
性质:是脂环烃,分子结构是六个碳原子形成的环,非极性溶剂。它是一种无色液体,有类似汽油的气味。
溶解性:溶解非极性物质,如油脂、蜡。
与水关系:与水不互溶,比水轻,浮在水面上。
与乙醚关系:乙醚的结构是 C2H5OC2H5,氧原子使得分子带有一点极性,但由于乙基的非极性部分很大,整体上乙醚是弱极性或中等极性溶剂。环己烷(非极性)和乙醚(弱极性)之间不互溶,可以形成两层。

乙醚:
性质:醚类溶剂,氧原子使得分子有微弱的极性,可以作为氢键受体,但整体而言是弱极性或中等极性溶剂。它易挥发,易燃,有特殊气味。
溶解性:能溶解多种有机物,包括脂肪、油、蜡、树脂,对一些极性较低的化合物溶解性也好。
与水关系:乙醚与水有一定程度的溶解度(约6.9 g/100 mL at 20 °C),但可以近似认为不互溶,形成两层。
与环己烷关系:如上所述,两者极性有差异,不互溶。

实际应用场景:在实验室的常规操作中,如从水溶液中萃取有机物,乙醚是一个常用的萃取剂。但如果需要更非极性的溶剂来配合,环己烷就是个好选择。两者不互溶的性质,意味着在进行分层操作时,可以清晰地观察到界面。

需要注意的几点

“不互溶”是相对的:在化学中,绝对的“不互溶”是很少见的。更多的时候,我们是指在特定的温度和比例下,两种溶剂会形成明显的分层,溶解度很低,不足以形成均一的溶液。在上面提到的例子中,乙酸乙酯和乙醚与水并不是完全不溶,只是溶解度较低,这对于大多数实验室的分离操作来说已经足够使用了。
温度的影响:溶剂的互溶性会受到温度的影响。通常,在较高温度下,溶剂的互溶性会增加。
溶质的影响:如果你要溶解的物质(溶质)同时具有极性和非极性特征,它可能会“桥接”这两种不互溶的溶剂,使得它们在存在溶质的情况下变得更互溶。
安全问题:很多有机溶剂都易燃、易挥发,有些还有毒性。在使用时一定要注意通风,远离火源,并佩戴适当的防护装备。例如,二氯甲烷有挥发性和一定的毒性,甲苯和乙醚都易燃。

总而言之,您所寻找的这类有机溶剂,通常是极性差异较大的组合,并且它们与水都缺乏强烈的相互作用力。己烷/甲苯/环己烷(非极性)与乙酸乙酯/二氯甲烷/乙醚(中等极性)的组合,就是非常经典的满足您要求的例子。它们在化学实验中,尤其是在分离、纯化和分析领域,扮演着至关重要的角色。

网友意见

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这个问题很有趣,先说结论:是有的,主要是含氟烷烃类有机物。

人们往往都会觉得一个东西和水不溶,那么他肯定与油相溶了。这也是很正常的生活经验。但是含氟烷烃就是一个例外了。

这类可能都没听过,但是我说一个应用的例子想必大家肯定或有耳闻。


而制作这类衣物就需要用到我们所说的含氟烷烃类有机物。既防水又防油,同时又保持着透气能力,使人们穿着不会闷。

这是主要因为氟碳聚合物拒水拒油能力和它具有较低的表面能有关,赋予织物纤维较低的表面能使其不易与水和油相亲和。

氟元素是所有元素中电负性最强的元素,而与碳所形成的碳氟键(C—F)键能高达485kJ/mol,同时因为氟原子核对氟原子外层的电子和成键电子云束缚较强,使其极化率低,分布较均匀,可以使含氟分子极性大幅降低。

所以含有大量氟碳键(C—F)的分子间的凝聚力小,当其附着在纤维表面时,会使纤维表面自由能显著降低,从而难被其他溶剂所润湿。只会在织物表面形成小水珠,用纸一擦便会抹去。

(S为铺展系数)

织物表面自由能越小,那么附着在表面上的液体越趋近于球型。

那么这种含氟溶剂处理后的衣物还会透气吗,穿着会舒服吗?

用着这类溶剂处理后的衣物不像雨伞一样,虽然都能阻挡液体但是有着根本上的区别。

雨伞属于防水整理,它是在织物表面涂抹一层不亲水的高分子聚合物(聚氨酯PU),通过物理的方式将织物间的缝隙堵上,使液体无法浸润,同时因为纤维间缝隙堵上,那么水蒸气也不会通过,就会使人感觉闷热。

而使用氟碳聚合物处理过的衣物,属于去水去油整理,是降低纤维上的表面自由能,而纤维间的缝隙仍然保留未堵塞,水蒸气依然可以穿透织物,保持了织物原有的透气性能。而当织物在水中浸泡一定时间时,水分还是可以润湿衣物,可以正常洗涤。这也使织物依然拥有原有的手感与风格,和雨伞风格天壤之别。


为什么这类衣物还没有完全进入我们大众生活呢?

有两个致命的缺点:

  1. 织物表面的去水去油整理剂会随着衣服的水洗次数增加而效果减弱,一般情况下只能够维持20次洗涤,之后效果防污能力大幅下降。
  2. 氟碳有机物价格昂贵,无法使成衣流入寻常百姓家。



二硅高产,干货满满~


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