30 Tage kostenlos testen:
Mehr Spass am Lernen.

Überzeugen Sie sich von der Qualität unserer Inhalte.

Jetzt Teil der Test-Community werden und tolle Dankeschöns kassieren!

Nernst-Verteilungssatz 05:09 min

Textversion des Videos

Transkript Nernst-Verteilungssatz

Guten Tag und herzlich willkommen. In diesem Video geht es um das Nernst-Verteilungsgesetz. Das ist ein weiterer Film aus der Reihe "Heterogene Gleichgewichte". Es wäre wünschenswert, wenn ihr euch den Film "gesättigte Lösungen und Löslichkeit" bereits angesehen habt. Ich möchte in diesem Video den Nernst-Verteilungssatz vorstellen und Anwendungen in der Medizin und im Chemielabor präsentieren. Der Film ist in 3 Abschnitte unterteilt: 1. Das Gesetz 2. Verteilungsvorgänge im Körper 3. Anwendung im Labor 1. Das Gesetz. Der Nernstsche Verteilungssatz wurde von Walter Nernst im Jahre 1892 gefunden. Nehmen wir an, wir haben ein Gefäß. In dem Gefäß befinden sich 2 Flüssigkeiten, I und II, die nicht miteinander mischbar sind und daher die Phasen 1 und 2 ausbilden. Zwischen den beiden Phasen treffen wir die Phasengrenzschicht an. Wir notieren: Beide Flüssigkeiten sind nicht miteinander mischbar. Wenn die Mischbarkeit schlecht ist, ist es auch möglich. Möglich sind die Systeme Hexan und Wasser oder Chloroform und Wasser oder Ether und Wasser. Im Fall von Chloroform wechseln die Ober- und Unterphase wegen der großen Dichte des Chloroforms ihre Plätze. A sei ein Stoff, der sowohl in I als auch in II lösbar sei. Dabei findet eine Verteilung von A zwischen beiden Lösungsmitteln statt. Wegen der fehlenden Mischbarkeit bzw. der geringen Mischbarkeit von I und II müssen noch 2 weitere Bedingungen erfüllt werden: A muss löslich sowohl in I als auch in II sein - aber davon sind wir ja schließlich ausgegangen - und schließlich als Drittes ganz wichtig: Die Menge von A ist viel geringer als die Menge von I und ebenso als die Menge von II. Bei Konstantheit von Druck und Temperatur können wir nun den Nernstschen Verteilungssatz formulieren. Die Konzentration von A im Lösungsmittel I dividiert durch die Konzentration von A im Lösungsmittel II nimmt einen konstanten Wert an. Dieser wird mit dem Symbol K versehen. Das bedeutet, dass der Quotient aus Ober- und Unterphase konstant ist. K nennt man die Verteilungskonstante. 2. Verteilungsprozesse im Körper. Damit ein Arzneimittel im menschlichen Körper wirken kann, sind einige Voraussetzungen notwendig. Das Arzneimittel muss die Blut-Hirn-Schranke überwinden. Das bedeutet, dass die Moleküle des Arzneimittels sowohl lipophil als auch lipophob sein müssen. Narkosemittel sind in der Lage, den Bereich zwischen neuronalen Membranen und dem Liquorraum im Gehirn zu überwinden. Dafür ist ein geeigneter Verteilungskoeffizient K notwendig. Ein anderes Beispiel: Leider werden in die Muttermilch mitunter Chlorkohlenwasserstoffe wie DDT oder Lindan eingeschleppt. Da beide Verbindungen lipophob sind, ist der Verteilungskoeffizient zugunsten des Fettgewebes sehr hoch und im Ergebnis unserer Umweltsünden hat er es auszubaden. 3. Anwendung im Labor. Im Prozess der chemischen Synthese werden häufig Extraktionen mit solchen Extraktionstrichtern durchgeführt. Solche Trichter verwendet man bei der manuellen Extraktion einer chemischen Verbindung aus einer wässrigen Lösung. Den Prozess bezeichnet man auch als Ausschütteln oder Ausethern. Nehmen wir an, der Verteilungskoeffizient K sei 3 zugunsten des Ethers. Nach 6 Extraktionen haben wir 36, das heißt also 729 von einem Anteil ausgeethert. Die Restmenge an Substanz beträgt etwa 0.1% der ursprünglichen Menge, das heißt, wir können mit dem Ausethern aufhören. Grundsätzlich gelten für das Ausschütteln folgende Regeln: Wenig Lösungsmittel verwenden, dafür häufiger. Aber nach 5 bis 7 Mal sollte die Hauptmenge an Substanz gewonnen sein. Was ist aber zu tun, wenn der Verteilungskoeffizient K nur wenig größer 1 ist? Gibt es dann keinen Ausweg? Der Ausweg heißt hier Soxhlet-Apparatur. Schaut sie euch einmal an. Ist doch lustig, nicht? Diese Apparatur funktioniert nur dann, wenn die Dichte des Lösungsmittels, mit dem man extrahiert, geringer ist als die Dichte des Lösungsmittels des Wassers. Und das extrahiert und extrahiert und extrahiert... Ich danke für die Aufmerksamkeit. Alles Gute, auf Wiedersehen.

1 Kommentar
  1. wie kann ich die verteilung ausrechnen, wenn die flüssigleiten 1 und 2 nicht im verhältniss 1:1 stehen?

    Von Darian P., vor mehr als 5 Jahren

Nernst-Verteilungssatz Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Nernst-Verteilungssatz kannst du es wiederholen und üben.

  • Bestimme die Gemische, die sich nicht ineinander lösen.

    Tipps

    Ein System bildet zwei Phasen aus, wenn die beiden Komponenten lipophil und lipophob bzw. hydrophil und hydrophob zueinander sind.

    Lösung

    Um eine Extraktion machen zu können, benötigst du zwei Lösungsmittel, die nicht mischbar sind. Du solltest dich daher gut mit den Eigenschaften von Lösungsmitteln auskennen. Grundsätzlich kannst du dir merken:

    „Similia similibus solvuntur“: Ähnliches löst sich in Ähnlichem.

    • Zwei Substanzen sind immer dann miteinander mischbar (ineinander löslich), wenn sie ähnliche Eigenschaften besitzen. Wasser kann beispielsweise Salze nur lösen, weil es polar ist und damit das Salz in Ionen zerlegen kann. Mit unpolaren Alkanen, wie dem Hexan, mischt sich Wasser jedoch nicht. Aus deinem Alltag kennst du sicher auch einige Flüssigkeiten, die sich nicht ineinander lösen. Ein gutes Beispiel dafür ist ein Essig-Öl-Gemisch.
    • Gibt es in einem Stoff sowohl polare als auch unpolare Gruppen, so ist die Mischbarkeit abhängig von der „Größe“ dieser Gruppen. So löst sich z.B. Ethanol sehr gut in Wasser, wegen des polaren Charakters der Hydroxylgruppe. Octanol hingegen ist schwer löslich in Wasser, weil durch das lange Kohlenstoff-Gerüst der unpolare Anteil im Molekül überwiegt. Auch die Essigsäure löst sich gut in Wasser wegen ihrer polaren Carboxygruppe und des sehr kurzen Alkylrestes.
  • Definiere den Nernstschen Verteilungssatz.

    Tipps

    Ein Beispielsystem bilden die Stoffe Hexan und Wasser, in denen die Substanz A gelöst werden kann.

    Lösung

    Das Nernst-Verteilungsgesetz ist nur gültig für Phasen, die sich nicht miteinander mischen und Substanzen A, die in beiden Phasen in gleicher Form vorliegen (keine Assoziation oder Dissoziation).

    Die Verteilungskonstante, die als Quotient der Konzentration von A in Phase I und II definiert wird, $K = {c(A_I)/c(A_{II})}$, beschreibt das Verhältnis der Konzentration von A in beiden Phasen und ist damit ein Spezialfall des Massenwirkungsgesetzes.

    Deswegen verteilen sich zwei verschiedene Stoffe zwischen den zwei Phasen nicht in gleicher, sondern in unterschiedlicher Konzentration. Durch den Nernst-Verteilungssatz wird damit keine Löslichkeit, sondern das Gleichgewicht von A in beiden Phasen beschrieben.

    • $A_I~\rightleftarrows~A_{II}$
  • Beschreibe den Verteilungsprozess von chlorierten, zyklischen Kohlenwasserstoffen (CKW) im Körper.

    Tipps

    Cyclohexan ist eine lipophile Substanz.

    Lipophile Substanzen diffundieren durch die Lipidschicht der Membran und hydrophile Substanzen durch die Poren in den Membranen.

    Lösung
    • Chlorierte, zyklische Kohlenwasserstoffe sind lipophile Substanzen. Die Lipophilie beruht auf den zyklischen Systemen, wo mindestens sechs Kohlenstoffatome beteiligt sind. Die Chlor-Atome polarisieren zwar die $C-Cl$-Bindung, aber die Polarisation ist sehr schwach oder führt dazu, dass das Molekül nach außen wieder neutral wirkt (lipophil).
    • Lipophile Substanzen gelangen durch passive Diffusion durch die Zellmembranen in das Fettgewebe und können sich so dort oder im Gehirn anreichern. Dieser Vorgang wird als Kumulation bezeichnet.
    • Im Fettgewebe verweilen die schädlichen Stoffe zudem meist über lange Zeiträume, da die Eliminations-Halbwertszeit, d.h. die Zeit, in der die Hälfte an CKW abgebaut wird, meist sehr hoch ist. Wird nun Fettgewebe abgebaut, so können die Stoffe sehr leicht in die Blutbahn gelangen (= Darm-Leber-Kreislauf).
    • Dieser Darm-Leber-Kreislauf ist eine spezielle Form der Verteilung: Der im Blut gelöste Stoff verteilt sich nach dem Eintritt in die Leber in die Galle, welche in den Darm abgesondert wird. Vom Darm aus werden die Stoffe erneut in den Blutkreislauf resorbiert (aufgenommen).
  • Berechne den Verteilungskoeffizient von Iod zwischen Chloroform und Wasser.

    Tipps

    c = (n/V)

    • c... Konzentration
    • n... Stoffmenge
    • V... Volumen
    Lösung

    Aufgabe a.)

    • $n=\frac{m}{M}$ $\to$ $n= \frac{4g}{253,8\frac{g}{mol}}$ $\to n= 0,0158~mol$
    • $c~=~\frac{n}{V}~\to~c=\frac{0,0158~mol}{100mL}\to~c=0,158\frac{mol}{L}$
    Aufgabe b.)

    • $m_2 = \frac{p * m_1}{100}$ $\to$ $ m_2 = \frac{3 * 4~g}{100}$ $\to m_2= 0,12~g$
    • $n_2 = \frac{m_2}{M}$ $\to$ $ n_2 = \frac{0,12~mol}{253,8\frac{g}{mol }}$ $\to n_2= 0,0005~mol$
    • damit ergibt sich - wie in a.) - für die Konzentration $\to c_{II}(I_2) = 0,005~\frac {mol}{L}$
    Aufgabe c.)

    Die Konzentration von Iod in der Dichlormethan Phase berechnet sich - wie in b.) – aus den restlichen 97% bezogen auf 30 mL:

    • $m = \frac{p * m}{100}$ $\to$ $ m = \frac{97 * 4~g}{100}$ $\to m = 3,88~g$
    • $c_{I}(I_2) = 0,5096~\frac {mol}{L}$
    • Die Verteilungskonstante ist der Quotient der Konzentration von $I_2$ in Phase I und II $K = \frac {c_I(I_2)} {c_{II}(I_2)}$ $\to$ $K = \frac {0,5096~\frac {mol}{L}}{0,005~\frac {mol}{L}}= 102$
  • Bestimme Verbindungen, die sich nicht mit Wasser mischen.

    Tipps

    Wasser ist ein polares Lösungsmittel.

    Lösung

    Mit Wasser mischen sich keine lipophile Substanzen. Für eine Extraktion müssen also lipophile Lösungsmittel verwendet werden.

    • Eine Substanz ist lipophil (aus den altgriechischen: „Fett liebend“), wenn sie sich gut in Fetten oder Ölen lösen lässt oder andersherum Fette und Öle löst. Dazu zählen: Alkane, Alkene, Alkine, Fettsäuren, langkettige Alkohole, Carbonsäuren und Ester sowie die organischen Lösungsmittel, wie z.B. Chlorkohlenwasserstoffe, Aromaten (Toluol), Ketone oder Ether (1,4-Dioxan).
    • Hydrophil hingegen (vom altgriechischen: „Wasser liebend“) nennt man eine Substanz, wenn sie stark mit Wasser oder anderen polaren Substanzen wechselwirkt. Dazu zählen: polare Ionensubstanzen wie Säuren (Schwefelsäure), Basen und Salze sowie polare Molekülsubstanzen, wie kurzkettige Alkohole, Carbonsäuren (Essigsäure), Zucker (Glucose) oder Aldehyde.
  • Erkläre die Isolierung von p-Nitrophenol aus einer wässrig alkalischen Lösung.

    Tipps

    Grundregeln des Ausschüttelns sind wenig Lösungsmittel und häufige Wiederholung.

    Der Druckausgleich beim Ausschütteln ist sehr wichtig und vergleichbar mit dem Schütteln und Öffnen einer halbvollen Flasche Mineralwasser.

    Lösung

    Zuerst wird die wässrig, alkalische Lösung in den Scheidetrichter überführt und mit 20% seines Volumens an Dichlormethan versetzt (wenig LM).Der Scheidetrichter wird mit einem Plastikstopfen verschlossen. Anschließend wird der Trichter umgedreht und über Kopf längere Zeit geschüttelt, damit sich die Phasen an mehreren Stellen berühren (Effekt der Oberflächenvergrößerung durch Tröpfchenbildung) und möglichst viel p-Nitrophenol in die schwerere Dichlormethanphase gelangt. Wichtig ist es den Hahn zwischendurch immer wieder vorsichtig zum Druckausgleich zu öffnen. Damit sich die Phasen wieder gut trennen, wird der Extraktionstrichter in einem Stativring gehangen (in Ruhe hängend). Die Unterphase wird über den Tropfauslauf abgelassen, wobei vorher der Stopfen entfernt werden muss, weil sonst wegen des Unterdruckes keine Flüssigkeit abläuft (vgl. Funktionsweise von Pipetten). Die obere Phase wird erneut mit Dichlormethan ausgeschüttelt (3 bis 4 Mal). Nach den mehrmaligen Durchführungen werden die organischen Phasen vereinigt und das Lösungsmittel kann nun unter vermindertem Druck entfernt werden.