solu partition2555

1

Solubility and Partition phenomena


อ.ภญ.ศภกญญา ตนตระบณฑตย

ดร.ภญ.ปลนธนา เลศสถตธนกร

บทนา

การละลายของสารเปนการทาใหตวถกละลายหนงชนดหรอมากกวากระจายตวอยในตวทาละลาย ใหไดสารผสมทมลกษณะเปนเนอเดยวกน อยางไรกตามในทางเภสชกรรม ยาเตรยมในรปสารละลาย หมายถง ยานาใส (solution) ซงมตวยาในรปของแขงหรอของเหลวหนงชนดหรอมากกวา ละลายเปนเนอเดยวกนในตวทาละลาย โดยตวทาละลายทใชกนมากทสดและสาคญทสด คอนาบรสทธ ซงปญหาทพบบอยในการตงตารบยานาใส คอ ตวยาสาคญละลายไดยากหรอละลายไมหมด หรอตกตะกอนเมอตงทงไวทาใหยาเตรยมทไดมสขนไมนาใช การศกษาทฤษฎของสารละลาย (solutions) และคาการละลาย (solubility) เปนสงสาคญและจาเปนจะตองทาความเขาใจใหถองแท เพอจะไดนาความรเหลานนไปใชในการเตรยม การพฒนาและการแกปญหาความยงยากตางๆ ทอาจเกดขนระหวางการเตรยมตารบยานาใส

1. หลกการทวไปของคาการละลาย

1.1 สารละลาย (True solution)

สารละลาย หมายถง สวนผสมของสารตงแต 2 ชนดขนไป รวมตวกนอยเปนเนอเดยวกน (Homogeneous) ทงทางเคมและฟสกส โดยทวไปจะหมายถงเฉพาะสวนผสมทเปนเนอเดยวกนซงเปนของเหลว ถงแมจะเปนไปไดทจะมสวนผสมซงเปนเนอเดยวกนอยในรปทงของแขงและแกสกตาม เชน ของแขงกระจายตวในของเหลว ของเหลวกระจายตวในของเหลว แกสกระจายตวในของเหลว หรอของแขงกระจายตวในของแขง แตทสาคญทสดในทางเภสชกรรมคอ สารละลายของของแขงทกระจายตวอยในของเหลวองคประกอบทมปรมาณมากกวา (major component) เรยกวา ตวทาละลาย (solvent) ทาหนาทเปนตวกลางใหเกดการละลาย และองคประกอบอนๆ ทมปรมาณนอยกวา เรยกวา ตวถกละลาย (solute) ซงจะกระจายและถกละลายอยในองคประกอบแรก อนภาคของตวถกละลายทกระจายอยในสารละลายจะมขนาดเลกมาก

ในสารละลายหนงๆ ปรมาณของตวถกละลายทอยในสารละลายนนๆ อาจกลาวไดวาเปนความเขมขนของตวถกละลาย สารละลายทประกอบดวยตวถกละลายปรมาณนอยๆ ละลายอยในตวทาละลายปรมาณมากๆ เรยกวา สารละลายเจอจาง (dilute solution) และถาตวถกละลายปรมาณมากอยในตวทาละลาย สารละลายนนจะเรยกวา สารละลายเขมขน (concentrated solution) และถาเตมตวถกละลายลงไปมากเกนพอ มากเกนความสามารถปกตของมนกจะเกดสมดลขนระหวางตวถกละลายบรสทธ (pure solute) และตวถกละลายทละลาย (dissolved solute)

Solute (pure) Solute (dissolve)

ตวทาละลายอาจเปนของแขง ของเหลว หรอ แกส และสภาวะทสมดลน อตราเรวของการละลายของตวถกละลายบรสทธจะเทากบอตราเรวของตวถกละลายทละลายเปลยนกลบออกมาเปนตวถกละลายบรสทธ ดงนนทสภาวะนความเขมขนของสารละลายจะคงท เรยกสารละลายประเภทนวา สารละลายอมตว (saturated solution) และความเขมขนของสารละลาย ณ อณหภมทกาหนดให คอ คาการละลายของสารนนนนเอง สาหรบสารละลายไมอมตว (unsaturated solution) คอ สารละลายทมความเขมขนนอยกวาสารละลายอมตว ในบางครงเราสามารถเตรยม สารละลายอมตวยงยวด (supersaturated solution) ได ซงสารละลายนจะมความเขมขนสงกวาสารละลายอมตวแตไมเสถยร ดงนน ถาเตมตวถกละลายลงไปอกเลกนอยจะทาใหตวถกละลายทมากเกนพอจะตกตะกอนออกมา ยกตวอยางเชน sodium thiosulfate สามารถละลายไดในปรมาณมากเมออณหภมสง แตเมอทาใหสารละลายเยนตวลงจะไมเกดผลกขนซงจะเปนสารละลายอมตวยงยวด ซงสามารถเปลยนเปนสารละลายอมตวธรรมดาโดยการใหตกผลกลงมาโดยอาศยผลกของตวถกละลายนน หรอโดยการเขยาอยางรนแรง หรอทาใหผวของภาชนะไมเรยบ

2


1.2 กลไกการละลาย

การทโมเลกลของตวถกละลายจะกระจายตวอยในตวทาละลายไดนน เกดจากกลไกดงแสดงในรปท 1 กลาวคอ โมเลกลของตวถกละลายตองกระจายแยกออกจากกน เพอใหโอกาสแกโมเลกลของตวทาละลายเขาลอมรอบ สวนโมเลกลของตวทาละลายกตองกระจายแยกออกจากกน เพอใหเกดชองวางสาหรบโมเลกลของตวถกละลายเขาแทรก

การละลายจะเกดขนเมอมขนาดของแรงดงดดเพยงพอระหวางโมเลกลของตวถกละลายและตวทาละลาย (solute-solvent interaction forces, 2W12) แรงดงดดนจะตองมากกวาแรงดงดดภายในโมเลกลของตวถกละลาย (W22) และมากกวาแรงดงดดภายในโมเลกลของตวทาละลาย (W11)

ผลรวมของแรงตางๆระหวางโมเลกลของตวถกละลายและตวทาละลายในปฏกรยาการละลาย กอใหเกดพลงงานททาใหตวถกละลายละลายอยในตวทาละลาย ผลรวมของพลงงานทงหมด (W) ตอ1 โมเลกลของตวทาละลายสามารถแสดงไดดวยสมการ

W = W22 + W11 – 2W12 ………………...สมการท 1

เมอ W22 คอ พลงงานทใชในการแตกแยกแรงภายในโมเลกลของตวถกละลาย

W11 คอ พลงงานทใชในการแตกแยกแรงภายในโมเลกลของตวทาละลาย

W12 คอ พลงงานทเกดจากแรงดงดดระหวางโมเลกลของตวถกละลายและตวทาละลาย

รปท 1 แสดงกลไกของการละลาย

ถา W เปนบวก แสดงวาพลงงานทตองใชในการทาลายแรงยดเหนยวมากกวาพลงงานทเกดขนจากการสรางแรงยดเหนยว ระบบตองรบพลงงานจากภายนอกเขาไป เพอทจะสามารถเกดเปนสารละลายได เรยกระบบนวา endothermic system

ถา W เปนลบ แสดงวาพลงงานทตองใชในการทาลายแรงยดเหนยวนอยกวาพลงงานทเกดขนจากการสรางแรงยดเหนยว ระบบตองคายพลงงานออกมา เพอทจะสามารถเกดเปนสารละลายได เรยกระบบนวา exothermic system

1.3 คาการละลาย หรอขดการละลาย (Solubility)

1.3.1 คาการละลาย (Solubility)

3


คาการละลาย หมายถงขดความสามารถของสารในการละลายในตวทาละลายชนดหนง ณ อณหภมและความดนหนง นนกคอปรมาณของสารทไดละลายอยในสารละลายจนไดสารละลายอมตว (saturated solution) ณ อณหภมและความดนทกาหนดให และเกดความสมดลขนระหวางสารละลายทเตรยมไดกบสวนเกนของสาร (excess solute) ซงไมละลายและผสมอยในสารละลายดงกลาว คาการละลายของสารอาจแสดงเปนคาทแนนอน เชน molarity, molality, mole fraction, %w/w, %w/v ตามตวอยางในตารางท 1 หรออาจแสดงเปนคาโดยประมาณตามเภสชตารบ ดงตวอยางในตารางท 2

ตารางท 1 หนวยความเขมขนของสารละลาย

ชนด สญลกษณ คาจากดความ Molarity* Normality* Molality Mole fraction Mole percent Percent by weight Percent by volume* Percent weight in volume* Milligram percent*

M N m X

- % w/w % v/v % w/v Mg %

จานวนโมลของตวถกละลายในสารละลาย 1 ลตร จานวนกรมสมมลของตวถกละลายในสารละลาย 1 ลตร จานวนโมลของตวถกละลายในตวทาละลาย 1 กโลกรม จานวนโมลของตวถกละลายเทยบกบจานวนโมลของสารทกชนดในสารละลาย Mole fraction ทแสดงในรปเปอรเซนต จานวนกรมของตวถกละลายในสารละลาย 100 กรม จานวนมลลลตรของตวถกละลายในสารละลาย 100 มลลลตร จานวนกรมของตวถกละลายในสารละลาย 100 มลลลตร จานวนมลลกรมของตวถกละลายในสารละลาย 100 มลลลตร

* หนวยความเขมขนทขนกบอณหภม

ตารางท 2 การเรยกคาการละลายของสารโดยประมาณตามเภสชตารบ

ขดการละลายของสารโดยประมาณตามเภสชตารบ สวนของตวทาละลายทใชละลายตวละลาย 1 สวน

Very soluble < 1

Freely soluble 1-10

Soluble 10-30

Sparingly soluble 30-100

Slightly soluble 100-1,000

Very slightly soluble 1,000-10,000

Practically insoluble or insoluble >10,000

ตารางท 3 คาการละลายของสารบางชนดทอณหภม 25°C

สาร คาจากดความ คาการละลาย Phenobarbital Phenobarbital sodium Atropine Atropine sulfate Codeine

Very slightly soluble Very soluble Slightly soluble Very soluble Slightly soluble

1 g in 1000 ml 1 g in 1 ml 1 g in 466 ml 1 g in 0.4 ml 1 g in 120 ml

4


Morphine Sulfadiazine Silver chloride Aspirin Phenol Camphor Sodium carbonate

Very slightly soluble Practically insoluble Insoluble Slightly soluble Soluble Slightly soluble Freely soluble

1 g in 5000 ml 1 g in 13000 ml 1 g in 520 l 1 g in 300 ml 1 g in 15 ml 1 g in 800 ml 1 g in 3.5 ml

1.4 การประเมนคาการละลาย

มขอควรคานงถง ดงตอไปน

1) ตวละลายและตวทาละลายตองมความบรสทธ เนองจากสงปนเปอนมผลตอขดการละลายของสาร

2) ตองเตรยมสารละลายอมตวของตวละลายในตวทาละลาย

3) ตองแยกตวละลายทเหลออยออกจากสารละลายอมตวจนหมด

4) ตองควบคมอณหภม ณ สภาวะทศกษาใหคงท

5) วธการทใชวเคราะหปรมาณสารตองเชอถอได

ขนตอนการประเมนขดการละลายของของแขงในตวทาละลาย มขนตอน ดงน

1) ทาใหเกดเปนสารละลายอมตว โดยการละลายตวถกละลายในปรมาณทมากเกนพอในตวทาละลาย

2) กรองเอาสวนทไมละลายออก

3) วเคราะหหาปรมาณตวถกละลายทอยในสารละลายนนๆ

2. ปฏกรยาระหวางตวถกละลายและตวทาละลาย (Solvent-solute interaction)

2.1 ตวทาละลายมขว (Polar Solvents)

คาการละลายจะขนกบความเปนขว (polarity) ของตวทาละลาย (นนคอ dipole moment) และความสามารถของตวถกละลายทจะเกด hydrogen bond กบตวทาละลาย ตวถกละลายทจะละลายไดในตวทาละลายมขว จะเปนสารทมขวเชนกน โดยในโครงสรางอาจจะมกลม –OH, -COOH, -NH2 ซงเปนกลมทมขวจะจบกบโมเลกลของตวทาละลายมขว เชน นา ซงแสดงความเปนขว ดงน

มผเสนอกลไกสาหรบตวทาละลายมขว (polar solvents) เชน นา ทาหนาทเปนตวทาละลายดงตอไปน

1. ลดแรงดงดดระหวางขวประจตางกนในผลกของเกลอ (the lattice energy of crystal) โดยดจากคา dielectric constant ของตวทาละลาย ซงยงมคาสงจะยงเพมการละลายของ ionic compounds เชน เกลอจะละลายไดดในนาซงมคา dielectric

5


constant สงเทากบ 80 แตจะละลายไดนอยมากใน chloroform และ benzene ซงมคา dielectric constant ตาเทากบ 5 และ 2 ตามลาดบ

2. ทาให covalent bonds ของ strong electrolytes แตกออกโดยอาศย acid-base reaction ซงตวทาละลายจะประพฤตตวเปนพวก amphiprotic คอ ในบางกรณนาจะทาหนาทเปนกรดและบางกรณจะทาหนาทเปนเบส ตวอยางดงกรณ กรดแก เชน HCl กจะแตกตวดงน

กรณกรดอนทรยออน (weak organic acid) จะแตกตวไมสมบรณ จงละลายไดนอยในนา เชน

แตจะละลายไดดในสารละลายทเปนดาง ตวอยางกรดออนน เชน phenols และ carboxylic acid

3. โมเลกลของตวทาละลายจะสามารถเกาะกบโมเลกลหรอ ions ของตวถกละลาย (salvation) ผานทาง dipole interaction forces ซงมกจะเปนการเกด hydrogen bond ทาใหการละลายเพมขน ตวอยางปฏกรยา ion-dipole interaction ระหวางเกลอ sodium ของ oleic acid กบนา จะแสดงดงรป

2.2 ตวทาละลายไมมขว (Nonpolar solvents)

ตวทาละลายไมมขว เชน สารพวก hydrocarbons จะมคา dielectric constant ตา จงไมสามารถลดแรงดงดดระหวางขวประจของ strong และ weak electrolytes หรอไมสามารถจะทาละลาย covalent bond หรอไมสามารถ ionize พวก weak electrolyte (aprotic solvents) และไมสามารถเกด hydrogen bond กบพวก nonelctrolytes ได ดงนนสารพวก ionic และ polar solutes จงไมละลายหรอละลายไดนอยมากในตวทาละลายไมมขว (nonpolar solvents) แต nonpolar solvents จะสามารถละลายสาร nonpolar solutes ไดโดยเกด weak van der Waals-London forces เพราะฉะนน พวก oils, fats หรอพวก alkaloidal bases และ fatty acids จะละลายไดใน nonpolar solvents เชน carbon tetrachloride, benzene และ mineral oil

2.3 ตวทาละลายกงมขว (Semipolar Solvents)

ตวอยางเชน พวก ketones และ alcohol สามารถเหนยวนาใหโมเลกลของตวถกละลายทไมมขว ใหเกดความเปนขว (polarized) ไดในระดบหนง ทาใหเขากนกบตวทาละลายได นอกจากน ตวทาละลายกงมขว ยงสามารถทาใหตวทาละลายของพวกมขว และไมมขวเขากนไดดวย เชน alcohol ชวยในนาและ castor oil เขากนได นอกจากน propylene glycol สามารถเพมการละลายระหวางนากบ peppermint oil และนากบ benzyl benzoate

ลกษณะของตวทาละลายตางๆ ในการละลายของตวถกละลาย สวนใหญแลวจะเปนไปตามกฎ “like dissolves like” คอ สารใดๆ ไมวาจะอยในรปของแขงหรอของเหลว จะสามารถละลายและเขากนไดเปนเนอเดยวกนกบตวทาละลายทมคณสมบตคลายคลง

6


กบสารดงกลาวเทานน เชน โครงสรางทางเคมทคลายคลงกน ขนาดของแรงดงดดระหวางโมเลกล (intermolecular forces) ขนาดของแรงดงดดภายในโมเลกล (cohesive forces) ความมขว (polarity) และคา dielectic constant ทใกลเคยงกน โดยสรปกคอ คาการละลายจะขนกบผลทางเคม ไฟฟา และโครงสรางโมเลกลทมตอการทาปฏกรยาระหวางกนของตวทาละลายและตวถกละลาย

ตารางท 4 ความเปนขวของตวทาละลาย และตวถกละลายทสามารถละลายไดในตวทาละลายแตละชนด

สารละลายสามารถแบงตามสถานะ ของตวทาละลายได 3 ชนด คอ

1) สารละลายแกส (Gaseous solution) เปนสารละลายทตวทาละลายเปนแกส ตวถกละลายจะอยในสถานะใดกได เชน สารละลายแกส ไดแก อากาศ ไอนาในอากาศ

2) สารละลายของเหลว (Liquid solution) เปนสารละลายทตวทาละลายเปนของเหลว ตวถกละลายจะอยในสถานะใดกได เชน นาเกลอ นาเชอม

3) สารละลายของแขง (Solid solution) เปนสารละลายทตวทาละลายเปนของแขง ตวถกละลายจะอยในสถานะใดกได เชน ทองเหลอง (Cu ใน Zn)

3. คาการละลายของกาซในของเหลว (Solubility of Gases in Liquids)

คาการละลายของกาซ คอ ความเขมขนของกาซซงละลายและอยในดลยภาพ (equilibrium) กบกาซทอยเหนอสารละลายนา ตวอยางสารละลายของกาซในของเหลวในทางเภสชกรรม เชน hydrochloric acid, ammonia water และยาเตรยมฟองฟ (effervescent preparations) ซงม carbon dioxide ละลายอย ยาฉดพนหรอยาละอองลอย (aerosol) ซงสารขบเคลอน (propellant) จะเปน carbon dioxide หรอ nitrogen ซงจะละลายอยบางสวนภายใตความดน

ผลของ pressure : สาหรบสารละลายเจอจางทอณหภมคงท อธบายไดโดย Henry’s law คอ ความเขมของกาซทละลายอยจะเปนสดสวนกบ partial pressure ของกาซทอยเหนอสารละลายนนทดลยภาพ ซงจะเทากบความดนทงหมดเหนอสารละลายลบดวยความดนไอของตวทาละลาย โดยสรปแลว เมอความดนเพมขน จะทาใหคาการละลายของกาซเพมขนดวย

ผลของ temperature : โดยทวไปเมอ อณหภมเพมขนจะทาใหคาการละลายของกาซสวนใหญลดลง และทาใหกาซมแนวโนมขยายตวขน ตวอยางเชน การเตรยมนากลนสาหรบยาฉดตามเภสชตารบทปราศจากกาซ carbon dioxide เตรยมไดโดยการตมเพอไลอากาศออกจากนา นอกจากนยงมจดทตองพงระวงคอการเปดภาชนะทบรรจสารละลายของกาซ เชน ยาเตรยมละอองลอย (aerosols) ในอากาศอนหรอทอณหภมสง เชน กาซทใชเปน ethyl nitrate ควรจะเปดโดยแชภาชนะในนาแขงหรอนาเยนเพอลดอณหภม

ผลของ chemical reaction : Henry’s law จะใชกบกาซกรณทความเขมขนตาๆ แตกาซเชน hydrogen chloride, ammonia และ carbon dioxide จะละลายไดด จะทาใหเกดการเบยงเบนไปจากทฤษฏ เนองจากเกดปฏกรยาระหวางกาซกบตวทาละลาย ซงปกตจะทาใหคาการละลายสงขน เชน hydrogen chloride จะมคาการละลายสงกวา oxygen ถง 10,000 เทา

7


ΔHv = ความรอนของการกลายเปนไอ (heat of vaporization)

V = ปรมาตรโมลารของของเหลว ณ อณหภมคงท T

4. คาการละลายของของเหลวในของเหลว (Solubility of Liquid in Liquid)

ปกตสารละลายทางเภสชกรรมมกจะประกอบดวยของเหลวอยางนอย 2 ชนด เชน การเตม alcohol ลงในนาเพอเตมเปน hydroalcoholic solution ทความเขมขนตางๆ หรอการเตม volatile oils ผสมกบนาเพอใหเกดสารละลายเจอจางทเรยกวา aromatic waters หรอการเตม volatile oils ใน alcohol เพอใหไดสารละลายเขมขนทเรยกวา spirits และ elixirs หรอการผสม ether กบ alcohol ในยาเตรยม collodions หรอ fixed oils ตางๆทจะผสมลงไปเพอเตรยมยาเตรยมชนด lotions, spray และ medicated oils

การละลายของของเหลวในของเหลวจะไดเกดไดด เมอแรงดงดดภายในโมเลกลของสารทงตวถกละลายและตวทาละลายมคาใกลเคยงกน แรงดงดดทจะทาใหตวถกละลายลายไดในตวทาละลาย เปนความดนภายใน เรยกวา internal pressure (Pi) ซงคาความดนภายในของของเหลวทไมมขวจะมคาตา สวนของเหลวทมขวจะมคาสง ของเหลวทมคาความดนภายในใกลเคยงกนจะละลายเขากนไดด สวนทมคาความดนภายในตางกนมากจะไมสามารถละลายเขากนได ซงเราสามารถคานวณไดจาก

Pi = ΔHv – RT

V

การละลายของของเหลวในของเหลว อาจแบงไดเปน 2 ประเภท คอ

1. Complete miscibility หมายถง ลกษณะของของเหลว 2 ชนดหรอมากกวา เมอนามาผสมกนจะละลายซงกนและกนในทกอตราสวนจนไดเปนสารละลายเนอเดยวกน ไดแก สารพวก polar และ semipolar เชน นาสามารถเขากนได (misible) กบ alcohol, glycerine หรอ alcohol สามารถเขากนไดกบสารพวก nonpolar เชน benzene กบ carbon tetrachloride

2. Partial miscibility หมายถงลกษณะของของเหลว 2 ชนดหรอมากกวา เมอนามาผสมกนจะละลายซงกนและกนไดเพยงบางสวนเทานน เชน phenol ผสมกบนา สวนหนงของ phenol จะละลายในนาและนาบางสวนจะละลายใน phenol แตสวนผสมทงหมดของ phenol กบนาจะไมรวมกนเปนเนอเดยวกน

รปท 2 การละลายของ phenol ในนาทอตราสวนและอณหภมตางๆ

8


⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −=

21

12soln

T

T

TTTT

2.303RΔH

SS

log2

1Xi2 − ƒ

3. Immiscible system หมายถง ของเหลว 2 ชนดหรอมากกวา เมอนามาผสมกนจะไมละลายซงกนและกน ของเหลวจะแยกชนกนอย เชน นากบนามน เปนตน

5. คาการละลายของของแขงในของเหลว (Solubility of Solids in Liquids)

เปนชนดทสาคญทสดทางเภสชกรรม ซงการทานายคาการละลายของของแขงในของเหลวยงไมแมนยานก เนองจากการมตวแปรซบซอนมากมายทมผลตอคาการละลาย อกทงสารละลายทางเภสชกรรมจะมตวถกละลาย และตวทาละลายหลายชนด

5.1 Ideal Solutions

คาการละลายของของแขงในสารละลายอดมคต จะขนกบ อณหภม จดหลอมเหลวของของแขง และ molar heat of fusion ในสารละลายอดมคตน heat of solution จะเทากบ heat of fusion ซงมคาคงทไมขนกบอณหภมและธรรมชาตของตวทาละลาย

โดยท Xi2 = ideal solubility ของตวถกละลาย (mole fraction)

ΔHf = heat of fusion

T2 = จดหลอมเหลวของตวถกละลาย

T1= อณหภมของสารละลาย (oK)

R = คาคงทของกาซ เทากบ 1.987 cal/mole.deg

เมออณหภมสงกวา melting point ของแขงจะกลายเปนของเหลว ซงเขากนไดกบตวทาละลายทเปนของเหลวในทกอตราสวน ดงนน สมการนจงใชไมไดเมอ T1 > T2

5.2 Nonideal Solutions

Activity ของตวถกละลายจะเทากบความเขมขนคณดวย activity coefficient ถาความเขมขนในหนวย mole fraction (γ2) จะได

a2 = X2γ2 จะได log a2 = log X2 + log γ2

ใน ideal solution จะได a2 = Xi2 (γ2 = 1) เพราะฉะนน จะได

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −=

21

12soln

T

T

TTTT

2.303RΔH

SS

log2

1Xi2 − ƒ + log γ2

9


จะเหนวา คาการละลายในหนวย mole fraction จะเทากบผลบวกของคาการละลายในสารละลายอดมคต และ log ของ activity coefficient ของตวถกละลาย ซง γ2 จะขนกนธรรมชาตของตวถกละลายและตวทาละลาย อณหภมของสารละลาย log γ2 จะพจารณาจากแรงยดระหวางโมเลกลของการดงดดระหวางกนทจะตองเอาชนะ เพอแยกโมเลกลของตวทาละลายออกจากกนแลวนาไปแทรกอยในระหวางโมเลกลของตวทาละลาย ดงทไดอธบายในกลไกการละลาย

5.3 Solubility of Salts in Water

สารสวนใหญจะมขบวนการละลายเปนแบบ endothermic (ΔHsoln เปนบวก) นนคอจะตองดดความรอนเขาไปเพอใชในการละลาย เพราะฉะนนเมอเพมอณหภมขน การละลายจะสงขนดวย ในทางกลบกน สารบางอยางจะมขบวนการละลายเปนแบบ exothermic (ΔHsoln เปนลบ) นนคอจะคายความรอนออกขณะละลาย เพราะฉะนนเมอเพมอณหภมขน การละลายจะตาลงดวย

ตารางท 5 แสดงคา heat of solution ของสารบางชนด

สาร ΔHsoln (kcal/mole), at 25°C HCl KOH NaOH CH3COOH KMnO4 C2H2OH KI NaCl LiCl AgCl Ca(OH)2

Methylcellulose Mannitol Phenol Sodium carbenicillin Hydrate salts Anhydrous salts

- 17.96 - 13.7 - 10.6 - 0.36 + 10.4 - 3.1 + 4.3 + 1.0 - 8.8 + 15.0 - 2.79 + + 5.26 + - + -

5.4 Solubility of Slightly Soluble Electrolytes

คาการละลายของ slightly soluble eledtrolytes จะอธบายโดย solubility product constant (Ksp) ของสารนน เชนกรณ Silver chloride (AgCl) ซงเปนสาร electrolyte ทละลายนาไดนอย เมอนา AgCl ปรมาณทมากเกนพอไปละลายในตวทาละลายทอณหภมคาหนง จะไดสมการแสดงการละลายดงน

−+ +⇔ ClAgAgClsolid

เมออยในสภาวะสมดล

KAgCl

][Cl][Ag

solid

=−+

10


กาหนดใหความเขมขนของของแขงทอยในสารละลายมคาคงท

spK][Cl][Ag =−+

คา solubility product constant (Ksp) (ตารางท 6 ) สามารถนาไปใชในการคานวณหาคาการละลายของสาร electrolyte ทละลายนานอยได

ตวอยาง Calcium carbonate มคา Ksp เทากบ 9 x 10-9 (25°C) จงหาคาการละลายของ calcium carbonate

***นนคอตองการหาความเขมขนของ CaCO3 ในสภาวะสมดลนนเอง

ทสมดล

x molar x molar x molar

Ksp = 9 x 10-9 = [Ca2+][CO32-]

9 x 10-9 = X2

X = √(9x10-9) = 9.49 x 10- 5 Molar

ตารางท 6 คา solubility product constant (Ksp) ของ electrolyte ทละลายนาไดนอย

สาร Ksp อณหภม (°C) Aluminium hydroxide Barium carbonate Barium sulfate Calcium carbonate Calcium sulfate Ferric hydroxide Ferrous hydroxide Lead carbonate Lead sulfate Magnesium carbonate Magnesium hydroxide Mercurous chloride Mercurous iodide Silver bromide Silver chloride Silver iodide Zinc hydroxide Zinc sulfide

7.7 x 10-13 8.1 x 10-9 1.0 x 10-10 9.0 x 10-9 6.1 x 10-5 1.0 x 10-36 1.6 x 10-14 3.3 x 10-14 1.1 x 10-8 2.6 x 10-5 1.4 x 10-11 2.0 x 10-18 1.2 x 10-28 7.7 x 10-13 1.3 x 10-10 1.5 x 10-16 1.8 x 10-14 1.2 x 10-23

25 25 25 25 20 18 18 18 18 12 18 25 25 25 25 25 18 18

5.5 Solubility of Weak Electrolytes

-23

2solid3 COCaCaCO +⇔ +

11


ยาสวนมากจะเปนกรดออนและดางออน ซงมคาการละลายในนาตา จงนาไปทาปฏกรยากบดางแกหรอกรดแกจนอยในรปไอออนทละลายนาได ดงนนจะเหนวา pH มผลตอการละลายพวก weak electrolytes ฉะนนในการเตรยมยาเตรยมของสารเหลานใหเปนสารละลายเนอเดยวกน จงตองปรบ pH ใหเหมาะสม ซงนสตจะไดเรยนในหวขอเรอง acid-base

6. ปจจยทมผลตอคาการละลาย

6.1 อณหภม

จากทกลาวขางตน การเพมหรอลดอณหภมมผลตอคาการละลาย ขนกบวาการละลายของสารชนดนนๆ เปนปฏกรยาดดหรอคายความรอน ในกรณทการละลายเปนปฏกรยาดดความรอน เชน โพแทสเซยมไนเทรต (KNO3) เมอเพมอณหภมการละลายจะเพมขน ในขณะทการละลายของแคลเอซเทต ((CH3COO)2Ca.2H2O) ในนาเปนปฏกรยาคายความรอน เมอเพมอณหภมการละลายจะลดลง ในกรณของการละลายเกลอโซเดยมคลอไรด (NaCl) ในนา การเพมอณหภมจะใหผลเปลยนแปลงเพยงเลกนอย อยางไรกตาม สารบางชนดจะมละลายเพมขนเมอเพมอณหภมชวงหนง แตเมอเพมอณหภมขนอกการละลายจะกลบลดลง เชน โซเดยมซลเฟต โดยทวไปสารและตวยามกจะมการดดความรอนไปใชเพอชวยใหเกดการละลาย ในกรณนการเพมอณหภมของสารละลายจะเปนการเพมอตราเรวของการละลายดวย

6.2 โครงสรางโมเลกลของตวถกละลาย

จากตารางท 7 การเปลยนแปลงรปรางโมเลกลไอโซเมอรของเพนทานอล (pentanol isomers) ตอคาการละลาย พบวา สารทมลกษณะโครงสรางแตกแขนงระเกะระกะมการละลายในนาดกวาสารทมลกษณะโครงสรางเปนระเบยบหรอมแขนเปนไฮโดรคารบอนสายตรง และสารทมโมเลกลขนาดเลก มนาหนกโมเลกลนอย จะละลายนาไดดกวาสารทมโมเลกลขนาดใหญ มนาหนกโมเลกลมาก

ตารางท 7 คาการละลายในนาของไอโซเมอรของเพนทานอล

12


นอกจากนหมแทนทบนโมเลกลของตวถกละลาย ถาเปนหมแทนททชอบนา (hydrophilic group) มผลใหคาการละลายในนามากกวา หมแทนททชอบไขมน (lipophilic group) ตารางท 7 แสดงสมบตความชอบนา และชอบไขมนของหมแทนทชนดตางๆ

ตารางท 8 สมบตการชอบนาและชอบไขมนของหมเคมชนดตางๆ

Chemical group Hydrophilic/Lipophilic properties

-CH3 Lipophilic

-CH2 Lipophilic

-Cl, -Br, -I Lipophilic

-N(CH3)2 Lipophilic

-SCH3 Lipophilic

-OCH2CH3 Lipophilic

-OCH3 Slightly hydrophilic

-NO2 Slightly hydrophilic

-CHO Hydrophilic

-COOH Slightly hydrophilic

13


-COO- Very hydrophilic

-NH2 Hydrophilic

-NH3+ Very hydrophilic

-OH Very hydrophilic

ตารางท 9 ผลของ hydrophilic-lipophilic group ตอคาการละลายในนาของ Acetanilid และอนพนธ

Acetanilid X Solubility (mg/l)

NH

X

COCH3

H 6.38

Methyl 1.05

Ethoxyl 0.93

Hydroxyl 13.90

Nitro 15.98

Aceto 9.87

จดเดอดและจดหลอมเหลว เปนคาทบอกถงความแขงแรงของแรงยดเหนยวระหวางโมเลกลของของเหลว ตวยาทมจดเดอดหรอจดหลอมเหลวสงแสดงวามแรงยดเหนยวระหวางโมเลกลสง คาการละลายจะตาในนาเมอเทยบกบตวยาทมจดเดอดตา ดงแสดงใน ตารางท 10 และ11

ตารางท 10 แสดงคาการละลายในนาของ pentanol isomer

สาร จดเดอด (0C) คาการละลาย (molarity, m) n-Pentanol 137.8 0.26 2-Methyl-1-butanol 128.7 0.347 3-Pantanol 115.3 0.615 2-Methyl-2-butanol 102.0 1.403

ตารางท 11 คาการละลายของ aromatic compounds ทมจดหลอมเหลวตางๆกน

สาร จดหลอมเหลว (°C) เศษสวนโมลของตวถกละลาย

Naphthalene 80 0.27

Phenanthrene 99 0.21

14


Anthrancene 217 0.0081

การจดเรยงของโครงรางผลก ความแขงแรงของการยดเกาะโมเลกลหรอไอออนทอยใกลกน สามารถแสดงไดดวยคาพลงงานโครงรางผลก (crystal lattice enthalpy) การจดเรยงของโมเลกลทแตกตางกนจะมผลใหพลงงานโครงรางผลกแตกตางกน และสงผลใหสมบตทางกายภาพของสารแตกตางกนดวย ไดแก จดหลอมเหลว การละลาย สารทมสตรโครงสรางโมเลกลเหมอนกนแตมการจดเรยงโมเลกลในโครงรางผลกตางกนเรยกวา พหสณฐาน (polymorphs) รปแบบของผลกสารทมพลงงานโครงรางผลกตาสดจะมความคงตวสงสดจดเปน ผลกทคงตว (stable form) และมจดหลอมเหลวสงทสด ในทางตรงขามรปแบบการจดเรยงตวทมโครงรางผลกสงจะมความคงตวตาเปนผลกทไมคงตว (metastable form) และมจดหลอมเหลวตา

6.3 Hydration and solvation

6.3.1 Hydration of non-electrolytes สารทมโมเลกลขนาดใหญ มกจะละลายนาไดยากหรอไมละลายนาเลย แตถาโมเลกลนนๆ ประกอบดวย –OH group เปนจานวนมาก กสามารถชวยทาใหโมเลกลเกด hydrogen bonding กบโมเลกลของนาทอยลอมรอบและมผลทาใหเกด hydration คาการละลายจะเพมขนอยางมาก เชน การละลายของ sucrose manitol และ sorbitol ในนา เปนตน

6.3.2 Hydration of ionic species ไอออนชนดตางๆทง anions และ cations เปนกระจายอยในนาจะมแรงดงดดกบโมเลกลของนาและแรงดงดดดงกลาวมขนาดคอนขางสง ทาใหไอออนเกอบทกชนดมโมเลกลของนาลอมรอบ เปนชนบางๆ การเคลอนทของไอออนทกครงจะพาเอาชนของนาไปดวย จานวนโมเลกลของานาทเขาลอมรอบไอออนซง เรยกวา hydration number จะขนอยกบขนาดและจานวนประจของไอออน เชน monovalent ions จะม hydration number = 4 สวน polyvalent ions จะม hydration number ลดนอยลง ไอออนทมขนาดเลกจะม hydration number สงเมอเทยบกบไอออนทมขนาดใหญ

7. Partition phenomena

Partition phenomena คอปรากฎการณทตวถกละลาย (Solute) ละลายอยในตวทาละลาย 2 ชนดทไมเขากน (Immiscible solvent) จนเกดสภาวะสมดล ซงคาคงทคาหนงทใชอธบายปรากฎการณน ไดแกคา Partition coefficient (สมประสทธการแบงภาค) ซงมคาเทากบอตราสวนความเขมขนของตวถกละลายในแตละวตภาคของตวทาละลาย 2 ชนดทไมเขากน ณ สภาวะสมดล

โดยทวไปคาสมประสทธการแบงภาค (P) ของตวถกละลายใดๆ หมายถง อตราสวนความเขมขนของตวถกละลายนนๆในวตภาคนา และวตภาคของ hydrophobic solvent เชน 1-Octanol ณ สภาวะสมดล และเปนคาทบงบอกถงความชอบนาหรอไมชอบนา ของตวถกละลายแตละชนด

ถาตวถกละลายสามารถแตกตวได (เปนกรดหรอดาง)

คาสมประสทธการแบงภาค หรอ คา P = [HA]o / [HA] aq

โดยทวไปคาสมประสทธการแบงภาคของตวถกละลายหรอตวยาใดๆ นยมแสดงในรปของคา log P

15


ตารางท 12 คาสมประสทธการแบงภาคของยาบางชนดใน 1-octanol-water หรอ 1-octanol-phosphate buffer

Drug log P

Ascorbic acid -1.64

Ethanol - 0.31

Phenobarbital 1.47

α- Tocopherol 12.28

จากตาราง เมอพจารณาจากคา log P จะเหนวา ascorbic acid เปนยาทชอบนาเนองจากมคา log P ตา ในขณะท α- tocopherol เปนยาทไมชอบนาเนองจากมคา log P สง

บรรณานกรม

Gennaro, AR. (1995) Remington: the science and practice of pharmacy. 19th Ed., Mack publishing Company, Pennsylvania.

Lien, EJ. & Ren, SS. (2007) Partition coefficients: In Swarbrick, J., editor: Encyclopedia of Pharmaceutical Technology. 3rd Ed. Informa Healthcare, New York.

Martin, A., Swarbrick, J., Cammarata, A. (1983) Physical Pharmacy. 3rd Ed., Lea & Febiger, USA.

ดวงดาว ฉนทศาสตร (2551) สารละลายและหลกการละลาย, บรษท ประชาชน จากด: กรงเทพฯ.

สมพล ประคองพนธ (2529) การพฒนาตารบยานา, พมพครงท 1, คณะเภสชศาสตร มหาวทยาลยมหดล: กรงเทพฯ.

solu partition2555

Documents