Chiết lặp: cùng lượng dung môi, thu hồi được nhiều hơn
Từ hai lớp chất lỏng đến quy luật phần còn lại: đọc hệ số phân bố, so sánh chiết một lần với chiết lặp và thiết kế lượng dung môi cho mục tiêu thu hồi.
LUKATO HIỂU BẢN CHẤT · TỰ DỰNG LỜI GIẢI
CHUYÊN ĐỀ TƯ DUY HÓA HỌC THPT
Chia dung môi. Đổi hiệu suất thu hồi.
Từ hai lớp chất lỏng đến quy luật phần còn lại: đọc hệ số phân bố, so sánh chiết một lần với chiết lặp và thiết kế lượng dung môi cho mục tiêu thu hồi.
8 bí quyết có điều kiện 3 phòng thí nghiệm Tự kiểm tra có giải thích
Sơ đồ minh họa hai pha. Vị trí trên–dưới phụ thuộc khối lượng riêng; số chấm chỉ minh họa, không phải dữ liệu định lượng.
Chuyên đề độc lập · mô hình và giới hạn được nêu rõ.
01
LUKATO · HÓA HỌC THPT
Nhìn đúng đại lượng
Nồng độ cao chưa chắc chứa nhiều chất
Trong một tình huống chiết caffeine, nồng độ ở pha hữu cơ được giả định bằng bốn lần nồng độ ở pha nước. Điều đó không có nghĩa pha hữu cơ chứa bốn lần khối lượng: mỗi pha còn có thể tích khác nhau.
Chuyên đề dành cho THPT: dùng bảo toàn chất tan và tỉ số nồng độ để hiểu tách chất. Mọi kết quả tính được đều thuộc mô hình hai pha lý tưởng được nêu dưới đây.
Miền áp dụng
Hai pha đạt cân bằng sau mỗi lần; hệ số phân bố không đổi; thể tích mỗi pha được coi không đổi; dung môi mới ban đầu không chứa chất tan; chất không phản ứng, không bị mất khi chuyển pha và chưa đạt giới hạn hòa tan. Ethyl acetate và nước chỉ ít tan vào nhau; mô hình bỏ qua sự thay đổi thể tích do hòa tan lẫn nhau.
Đọc đúng thao tác
Pha trà bằng nước nóng là bước lấy chất từ nguyên liệu rắn; lọc bã là một bước tách khác; sau đó mới chiết lỏng–lỏng. Không mô tả toàn bộ quy trình như chỉ có chiết lỏng–lỏng.
02
LUKATO · HÓA HỌC THPT
Bộ công cụ nền
Hệ số phân bố theo đề bài
D = c nuoc c huu co , m 0 = c w V w + c o V o
Ở đây D là tỉ số nồng độ phân bố của chất cần đo trong đúng điều kiện. Không dùng số 4 như một hằng số phổ quát cho caffeine ở mọi nhiệt độ, pH và dung môi.
Một lần chiết
F 1 = m 0 m o = V w + D V o D V o
q = m 0 m w = V w + D V o V w , F 1 = 1 − q
Các thể tích có thể cùng dùng mL vì chúng nằm trong cùng tỉ số. Nồng độ và khối lượng phải được dùng nhất quán.
Nhiều lần với dung môi mới
m 0 m n = i = 1 ∏ n V w + D v i V w
F n = 1 − ( V w + D V tong / n V w ) n
Công thức lũy thừa áp dụng cho n phần bằng nhau. Mỗi lần phải tách pha hữu cơ đã mang chất tan, rồi thêm dung môi mới. Hệ số còn lại tác động lên lượng còn trong nước, không tác động lại lên lượng đầu.
Đọc các ô theo thứ tự. Sơ đồ biểu diễn quan hệ bảo toàn, không mô phỏng tốc độ phản ứng.
Thiết kế ngược
V tong = D n V w [ ( 1 − F muc tieu ) − 1/ n − 1 ]
F mục tiêu nằm giữa 0 và 1; n là số nguyên dương; D và Vw dương. Công thức cho lượng dung môi trong mô hình, chưa gồm thể tích mất do thao tác.
03
LUKATO · HÓA HỌC THPT
8 bí quyết có điều kiện
BÍ QUYẾT 01
Từ nồng độ sang lượng chất
Quy tắc: Nhân nồng độ với thể tích từng pha trước khi so sánh.
Vì sao: Khối lượng hoặc mol trong pha không chỉ phụ thuộc nồng độ.
Điều kiện: Hai pha dùng cùng loại đơn vị nồng độ.
Giới hạn / ngoại lệ: Pha có nồng độ cao hơn vẫn có thể chứa ít chất hơn nếu thể tích đủ nhỏ.
BÍ QUYẾT 02
Viết tỉ số theo đúng chiều
Quy tắc: D là nồng độ hữu cơ chia nồng độ nước.
Vì sao: Đổi chiều hệ số sẽ đảo tác dụng của dung môi.
Điều kiện: Định nghĩa D được giữ xuyên suốt.
Giới hạn / ngoại lệ: Một tài liệu có thể định nghĩa hệ số theo chiều ngược; phải đọc trước khi dùng.
BÍ QUYẾT 03
Dùng phần còn lại để lặp
Quy tắc: Mỗi lần nhân lượng còn trong nước với q.
Vì sao: Chất đã tách ở lần trước không còn để tách lại.
Điều kiện: Tách pha hữu cơ hoàn toàn và dùng dung môi mới.
Giới hạn / ngoại lệ: Cộng phần trăm thu của từng lần tính trên lượng ban đầu sẽ gây đếm thừa.
BÍ QUYẾT 04
So sánh cùng tổng dung môi
Quy tắc: Giữ tổng thể tích hữu cơ khi so sánh số lần.
Vì sao: Thay cả số lần và tổng dung môi khiến hai tác động bị trộn.
Điều kiện: Mỗi phần mới có cùng dung môi và cùng D.
Giới hạn / ngoại lệ: Nhiều dung môi hơn có thể tăng thu hồi dù số lần không đổi.
BÍ QUYẾT 05
Chia đều khi mô hình đối xứng
Quy tắc: Với cùng tổng thể tích và số lần cố định, chia đều tối ưu trong mô hình này.
Vì sao: Tích các mẫu số được lớn nhất khi các phần bằng nhau.
Điều kiện: D và thể tích pha nước không đổi giữa các lần.
Giới hạn / ngoại lệ: Nếu D thay đổi hoặc hao hụt thao tác đáng kể, kết luận tối ưu phải đánh giá lại.
BÍ QUYẾT 06
Tách lớp trước khi thêm lần mới
Quy tắc: Giữ pha nước và thay phần dung môi hữu cơ đã chứa chất tan.
Vì sao: Nếu để mọi phần dung môi trong cùng phễu, đó là một lần với tổng thể tích.
Điều kiện: Hai pha tách rõ, không bị nhũ hóa và không mang kéo pha.
Giới hạn / ngoại lệ: Dùng lại dung môi đã chiết không tương đương thêm dung môi sạch.
BÍ QUYẾT 07
Đừng hứa thu hết với tổng dung môi cố định
Quy tắc: Khi chia ngày càng nhiều phần, thu hồi tiến tới một giới hạn nhỏ hơn 100%.
Vì sao: Lượng dung môi hữu hạn không làm phần còn lại bằng không.
Điều kiện: Mô hình D không đổi và các lần cân bằng lý tưởng.
Giới hạn / ngoại lệ: Giới hạn số lần vô hạn là toán học, không phải quy trình thí nghiệm có thể thực hiện.
BÍ QUYẾT 08
Đọc vị trí lớp bằng khối lượng riêng
Quy tắc: Xác định lớp trên–dưới từ hệ dung môi đang dùng.
Vì sao: Hữu cơ không đồng nghĩa luôn nhẹ hơn nước.
Điều kiện: Đã biết khối lượng riêng của hai pha ở điều kiện thực nghiệm.
Giới hạn / ngoại lệ: Dung môi hữu cơ nặng hơn nước sẽ tạo lớp hữu cơ phía dưới.
04
LUKATO · HÓA HỌC THPT
Giải mẫu và kiểm tra
Tình huống 1 · 100 mL pha nước và 60 mL dung môi
Sau pha trà và lọc, có 100 mL dịch nước. Chiết bằng 60 mL ethyl acetate. Theo mô hình đề bài, nồng độ caffeine trong pha hữu cơ luôn gấp bốn lần trong pha nước sau khi đạt cân bằng. Coi thể tích hai pha không đổi.
F 1 = 100 + 4 × 60 4 × 60 = 17 12 ≈ 70.5882%
Pha hữu cơ chứa khoảng 70,59% lượng caffeine đầu. Pha nước vẫn giữ khoảng 29,41%. Caffeine phân bố nhiều hơn về pha hữu cơ trong trường hợp này; vị trí của pha không quyết định tỉ số lượng chất.
Tình huống 2 · Chia 60 mL thành ba phần mới 20 mL
q = 100 + 4 × 20 100 = 9 5
Lần · Còn trong nước / đầu · Thu riêng lần này / đầu
1 · 55,5556% · 44,4444%
2 · 30,8642% · 24,6914%
3 · 17,1468% · 13,7174%
F 3 = 1 − ( 9 5 ) 3 = 729 604 ≈ 82.8532%
Không lấy 44,44% nhân ba: lần hai và lần ba tác động lên lượng đã giảm. Ba phần mới thu thêm khoảng 12,26 điểm phần trăm so với một phần 60 mL.
Tình huống 3 · Vì sao không chia mãi để đạt 100%?
n → ∞ lim F n = 1 − exp ( − V w D V tong )
1 − exp ( − 2.4 ) ≈ 90.9282%
Ngay trong mô hình không mất mát, cùng 60 mL dung môi cũng chỉ tiến tới khoảng 90,93% khi số phần tăng vô hạn. Trong thực tế, thời gian, nhũ tương, hao hụt và thể tích thao tác tối thiểu còn giới hạn số lần.
Thiết kế để thu 90% bằng ba lần
V tong = 4 3 × 100 ( 0.1 0 − 1/3 − 1 ) ≈ 86.5826 mL
Mỗi phần khoảng 28,86 mL. Đây là giá trị lý tưởng; phương pháp thực tế cần xác nhận phân bố, thể tích và mức thất thoát.
05
LUKATO · HÓA HỌC THPT
3 phòng thí nghiệm
PHÒNG THÍ NGHIỆM 01
Một lần: nồng độ khác lượng chất
Đổi hệ số phân bố và thể tích hai pha. Chuẩn hóa lượng chất đầu bằng 100 đơn vị; kết quả biểu diễn phần trăm, không giả định một khối lượng caffeine cụ thể.
Hệ số phân bố hữu cơ / nước Thể tích pha nước Thể tích pha hữu cơ
Thu vào pha hữu cơ %
Còn trong pha nước %
Tỉ số lượng hữu cơ / nước lần
Hai cột là lượng chất, không phải nồng độ hay chiều cao lớp chất lỏng.
PHÒNG THÍ NGHIỆM 02
Cùng tổng dung môi, đổi số lần
Giữ tổng dung môi, chia thành n phần bằng nhau. Sau mỗi lần tách, thêm dung môi mới không có chất tan. So sánh với một lần dùng cùng tổng thể tích.
Số lần chiết Tổng dung môi hữu cơ Hệ số phân bố
Thu hồi sau n lần %
Thu hồi một lần %
Mức tăng điểm phần trăm
Đường biểu diễn lượng còn trong nước sau từng lần. Nối điểm chỉ giúp đọc thứ tự, không biểu diễn động học theo thời gian.
PHÒNG THÍ NGHIỆM 03
Từ mục tiêu về lượng dung môi
Chọn mức thu hồi và số lần. Tính tổng dung môi lý tưởng cần dùng cho 100 mL nước, rồi so với một lần có cùng mục tiêu.
Thu hồi mục tiêu Số lần bằng nhau Hệ số phân bố
Tổng dung môi cần mL
Mỗi phần dung môi mL
Dung môi nếu chiết một lần mL
Số lần nguyên và mỗi lần có dung môi mới. Không kể hao hụt, thể tích tối thiểu hay chi phí vận hành.
06
LUKATO · HÓA HỌC THPT
Dự đoán trước lời giải
DỰ ĐOÁN 01
D bằng 4 nhưng pha hữu cơ chỉ 10 mL, nước 100 mL. Pha nào chứa nhiều chất hơn?
Chưa chọn. Hãy dự đoán trước khi đọc giải thích.
DỰ ĐOÁN 02
D bằng 4, nước 100 mL, dung môi 60 mL. Thu hồi một lần gần bao nhiêu?
Chưa chọn. Hãy dự đoán trước khi đọc giải thích.
DỰ ĐOÁN 03
Ba lần mới 20 mL mỗi lần với cùng dữ kiện. Thu hồi gần bao nhiêu?
Chưa chọn. Hãy dự đoán trước khi đọc giải thích.
DỰ ĐOÁN 04
Thêm liên tiếp ba phần 20 mL nhưng không tách pha hữu cơ giữa các lần tương đương gì?
Chưa chọn. Hãy dự đoán trước khi đọc giải thích.
DỰ ĐOÁN 05
Lần hai thu 24,69% lượng đầu, dù mỗi lần dùng cùng dung môi. Vì sao?
Chưa chọn. Hãy dự đoán trước khi đọc giải thích.
DỰ ĐOÁN 06
Giữ tổng dung môi 60 mL, tăng số lần vô hạn trong mô hình. Giới hạn là gì?
Chưa chọn. Hãy dự đoán trước khi đọc giải thích.
DỰ ĐOÁN 07
Cách xác định lớp hữu cơ nằm trên hay dưới là gì?
Chưa chọn. Hãy dự đoán trước khi đọc giải thích.
DỰ ĐOÁN 08
Điều kiện quan trọng của công thức chiết lặp trong bài là gì?
Chưa chọn. Hãy dự đoán trước khi đọc giải thích.
07
LUKATO · HÓA HỌC THPT
Gỡ ngộ nhận
GỠ NGỘ NHẬN 01
Nồng độ gấp bốn thì lượng chất gấp bốn
Còn phải nhân thể tích từng pha. Tỉ số lượng chất bằng D nhân tỉ số thể tích.
GỠ NGỘ NHẬN 02
Chiết ba lần thì nhân phần trăm lần đầu với ba
Mỗi lần tác động lên lượng còn lại; dùng tích phần còn hoặc tính tuần tự.
GỠ NGỘ NHẬN 03
Dung môi đã dùng cũng như dung môi sạch
Pha cũ có chất tan sẵn nên trạng thái đầu khác. Không áp dụng cùng công thức chiết sạch.
GỠ NGỘ NHẬN 04
Pha hữu cơ luôn nằm trên
Vị trí phụ thuộc khối lượng riêng của hai pha; không phụ thuộc tên hữu cơ hay nước.
GỠ NGỘ NHẬN 05
Lắc lâu thì thu hồi vượt cân bằng
Lắc giúp tiếp xúc; sau khi đạt cân bằng, mô hình không cho thu hồi tiếp chỉ vì tiếp tục lắc.
GỠ NGỘ NHẬN 06
Chia dung môi vô hạn sẽ lấy hết chất
Cùng tổng dung môi hữu hạn cho giới hạn dưới 100% trong mô hình này.
GỠ NGỘ NHẬN 07
Giá trị D bằng 4 áp dụng cho mọi mẫu trà
Đó là giả thiết cụ thể. D có thể phụ thuộc hệ dung môi, nhiệt độ, dạng hóa học và điều kiện mẫu.
GỠ NGỘ NHẬN 08
Phần trăm thu hồi là độ tinh khiết
Thu hồi đo lượng chất đích lấy ra so với ban đầu; tinh khiết đo phần chất đích trong sản phẩm thu được. Có thể thu nhiều nhưng kèm nhiều tạp chất.
08
LUKATO · HÓA HỌC THPT
Chuyển giao và tự kiểm tra
Chuyển giao 1 · Chia 60 mL thành 10 mL và 50 mL
F = 1 − 140 100 300 100 = 76.1905%
Hai phần 30 mL cho khoảng 79,34%, cao hơn hai phần lệch 10 và 50 mL. Điều kiện của so sánh là D bằng 4 và pha nước 100 mL không đổi.
Chuyển giao 2 · Thay hệ dung môi có D cao hơn
Với cùng thể tích hai pha, D cao hơn tăng thu hồi của chất đích. Tuy nhiên lựa chọn dung môi còn phải xét độ chọn lọc với tạp chất, khả năng tách pha, an toàn, mức tiêu hao và phương pháp thực nghiệm. Một hệ số phân bố lớn không tự chứng minh sản phẩm tinh khiết.
Tự kiểm tra cuối bài
Bạn có thể tính từ bảo toàn thay vì nhớ công thức; giải thích tại sao phần trăm từng lần giảm; so sánh cùng tổng dung môi; nói khi nào chia đều tối ưu; và phân biệt thu hồi với tinh khiết không?
LUKATO · HỌC ĐỂ TỰ GIẢI
Giữ đúng đại lượng, đúng đơn vị và đúng điều kiện. Một phép tính đẹp chỉ có ý nghĩa khi mô hình phù hợp.