Экстракция
Физико-химические характеристики веществ лежат в основе их распределения между двумя фазами. Это явление широко используется для экстрагирования из водных растворов многих химических соединений.
Экстракция относится к химическим методам аналитической химии и применяется как в качественном, так и в количественном анализе. Под экстрагированием понимают извлечение определяемых (выделяемых) компонентов специальными растворителями - экстрагентами из жидких или твердых смесей.
При экстракции вещество, растворимое в воде и органическом растворителе, распределяется меду двумя несмешивающимися слоями жидкости. При этом отношение активностей (а) или концентраций (с) в обеих жидкостях при данной температуре есть величина постоянная, называемая коэффициентом распределения К:
К = С1/С2 = а1/а2
Коэффициент распределения обычно мало зависит от абсолютного количества растворенного вещества. Кроме того, растворенное вещество распределяется между двумя несмешивающимися жидкостями, независимо от присутствия в растворе посторонних веществ.
Так, например, коэффициент распределения йода между водой и хлороформом равен 130. Если к воде, содержащей растворенный I2, добавить не смешивающийся с нею хлороформ, взболтать эту систему и дать ей отстояться, то после установления равновесия концентрация йода в хлороформе окажется в 130 раз более высокой, чем в воде, независимо от общего количества растворенного йода. Таким образом, с помощью хлороформа можно извлечь (экстрагировать) из воды преобладающую часть растворенного в ней йода. Такой, основанный на законе распределения способ извлечения растворенного вещества из раствора с помощью второго растворителя, не смешивающегося с первым, называется экстракцией и широко применяется в лабораторной практике и в химической промышленности.
|
|
В экстракционной системе из объема водного раствора извлекается вещество в гораздо меньший объем. Концентрация вещества в этом случае повышается. Экстрагирование позволяет выделить микрокомпонент из раствора при отношении концентраций 1:10. Так, например, при экстракции 5 мл экстрагента можно выделить 10 г вещества из 1-2 л раствора. Повысить концентрацию 200-400 раз.
Чаще экстрагируют примеси от основного вещества, но иногда экстракцией удаляют основное вещество от примесей.
Раствор, содержащий извлекаемые соединения, встряхивают с несмешивающейся с ним жидкостью (экстрагентом-соединение (обычно в органической фазе), ответственное за образование экстрагируемого соединения), в специальных сосудах - делительных воронках. Критерием выбора растворителя является высокая растворимость в нем продукта, а также невысокая температура кипения кипения, что облегчает последующее удаление растворителя. Также применяют и более сложную аппаратуру. Для выделения вещества в чистом виде экстракт подвергают выпариванию, высушиванию, перегонке, кристаллизации. Выделяемые компоненты лучше растворяются экстрагентом, в то время как другие вещества, присутствующие в смесях, практически им не экстрагируются (не растворяются). Органическую фазу, отделенную от водной фазы и содержащую экстрагированные соединения, называют экстрактом. Перевод вещества из органической фазы в водную называют реэкстракцией, а раствор, используемый для реэкстракции – реэкстрагентом.
|
|
Техника экстрагирования
1. Важно! Следует следить, чтобы кран и пробка не пропускали экстрагируемые жидкости. Для этого наливают в делительную воронку экстрагент, встряхивают и проверяют пропускают ли кран или пробка.
2. В делительную воронку помещают экстрагент и исчерпывающую фазу. Количество экстрагента определяется свойствами извлекаемого компонента смеси и его количеством. Но как правило количество экстрагента меньше, чем количество исчерпывающей фазы. Пример: для извлечения 1 г вещества ограниченно растворимого в воде и хорошо растворимого в органике требуется -20 мл органического растворителя, процедуру повторяют со свежими порциями растворителя (по 15-20 мл) 3-4 раза.
3. Когда экстрагент и исчерпывающая фаза помещены в делительную воронку ее закрывают пробкой и интенсивно встряхивают в течение 1-2 минут.
4. В течение этого процесса несколько раз открывают кран, для того чтобы выпустить образующиеся пары легко летучего компонента. Важно! Если пары не выпускать, то давление паров может выбить пробку или кран. При этом, делительную воронку следует держать как показано на рисунке.
Посмотреть
5. Затем оставляют эмульсию расслаиваться на два слоя. Для этого требуется не менее 5 минут.
6. Иногда эмульсия не расслаивается в течение длительного времени (стойкая эмульсия). В этом случае рекомендуется:
- Добавить неорганическую соль (хлорид натрия, сульфат магния и т.п.).
- Добавить экстрагент или растворитель исчерпывающей фазы.
|
|
- Добавить кислоту (в случае если происходит экстракция из щелочного раствора).
7. После расслоения смеси на два слоя важно определить какой из слоев экстрагент. Для этого:
- Можно ориентироваться на табличные значение плотности экстрагента и исчерпывающей фазы. Сверху располагается растворитель с меньшей плотностью. Однако, такой метод не достаточно точен, так как в более легкий (с меньшей плотностью) растворитель может перейти вещество, плотность изменится и "легкий” растворитель окажется внизу.
- На делительной воронке отметить маркером положение слоев. Затем добавить один из используемых растворителей (при экстракции из воды - добавляют воду). Изменение уровня слоев покажет какой слой экстрагент.
8. При разделении слоев важно сливать нижний слой через кран, а верхний - через верхнее отверстие делительной воронки. Нужно следить, чтобы капли одной фазы не попадали в приемник для другой фазы.
9. Для полного извлечения вещества экстракцию повторяют еще 2-3 раза.
Многие неорганические вещества экстрагируются из водных растворов смесей органическими растворителями в виде комплексных и, в особенности, внутрикомплексных соединений. Серебро, ртуть, медь, цинк, свинец и другие тяжелые металлы экстрагируются в виде дитизонатов и карбаминатов; алюминий, галлий, железо, ванадий и другие в виде 8-оксихинолятов; часто практикуется экстрагирование роданидных комплексов железа, молибдена, кобальта, ниобия и др. Для экстракций соединений многих элементов используют также диметилглиоксим, a -нитрозо- b -нафтол, купферон и многие другие реактивы.
В качестве растворителей для экстракции из водных растворов применяют не смешивающиеся с водой органические растворители (например, четыреххлористый углерод), хорошо растворяющие простые или комплексные соединения анализируемых элементов. Если же приходиться иметь дело с растворителями, частично смешивающимися с водой (например, сероуглерод, этиловый эфир или амиловый спирт), то для «высаливания» т.е. уменьшения растворимости этих веществ в воде, в обрабатываемый раствор прибавляют большие количества электролитов.
Следует иметь в виду, что неудачно выбранные высаливающие электролиты могут приводить в некоторых случаях к противоположному результату, т.е. к увеличению растворимости органического растворителя в воде. Возможно также образование иных комплексов, мешающих переводу элементов в органический растворитель. Вообще же для образования в водном растворе того соединения, которое должно переходить в органический растворитель, необходимо добавлять реактивы строго определенных концентраций.
Всегда следует помнить о ступенчатом характере образования комплексных соединений, из которых какое-нибудь одно соединение извлекается данным растворителем лучше всех других, и поэтому его преимущественное образование в водном растворе должно быть соответствующим образом обеспечено. Очень часто однотипные комплексные соединения одних элементов устойчивы при одном значении рН, а другие при другом.
Этим пользуются для избирательного отделения одних элементов от других, регулируя рН раствора.
Для организации безопасной работы необходимо знать, что многие органические растворители, например диэтиловый эфир, чрезвычайно огнеопасны, а другие, например четыреххлористый углерод, очень ядовиты при вдыхании паров.
Метод экстракции отличается от других методов разделения веществ рядом преимуществ:
1. Можно извлечь определяемое вещество из очень разбавленных растворов, т.е.
повышается чувствительность метода.
2. Не происходит соосаждения и экстрагируемое вещество количественно выделяют в чистом виде.
3. Возможно выделение и разделение веществ, которые трудно или невозможно разделить другими способами.
Лабораторная работа
Экстракция йода из водного раствора органическими
Растворителями
Цель работы: Научиться производить процесс экстракции в лабораторных условиях и необходимые расчеты результатов экстракции.
Оборудование: шт
1. Экстракционная воронка на 150мл; 1
2. Бюретка на 25мл в штативе; 1
3. Мерный цилиндр на 100мл; 1
4. Мерный цилиндр на 20мл; 1
5. Конические колбочки для титрования на 100мл; 3
6. Химический стакан на 100мл; 2
7. Пипетка на 10мл; 1
Растворы и экстрагенты:
1. Исследуемый раствор йода в воде -100мл;
2. Титрованный раствор тиосульфата (0,05н) -100мл;
3. Раствор крахмала в воде (2%) -50мл;
4. Экстрагенты (бензол, хлороформ или другие неполярныерастворители) -50мл;
Задание: Определить коэффициент распределения йода между водой иэкстрагентом и рассчитать концентрацию йода в водном растворе послевторойэкстракции.
Ход выполнения работы
Определяем исходную концентрацию йода (I 2) в воде для этого применяем йодометрическое титрование.
В коническую колбу на 100мл берем 10мл водного раствора йода ититруем его стандартным раствором тиосульфата натрия (0,05н) до соломенно-желтой окраски. Затем добавляем в колбочку 3мл раствора крахмала и продолжаем осторожно титровать раствором тиосульфата до исчезновения синей окраски. Титрование повторяем.
| измерены | среднее | ||
| V I 2 | |||
| V Na 2 S 2 O3 |
По среднему показателю двух сходящихся отсчетов объемаNa2 S2 O3 вычисляем концентрацию йода в исходной воде:
NI2 =V Na 2 S 2 O3 V Na 2 S 2 O3/ V I 2
Вычисляем общее содержание йода в 70мл йодсодержащей воды.Проводим экстракцию йода бензолом с помощью воронки для экстракции объемом на150мл. Для этого смешиваем в ней 70мл содержащеййод воды и 7мл бензола. Воронку закрываем пробкой и встряхиваем в течении 2 минут. Оставляем затем воронку в покое до полного расслоениясмесей.Нижний водный слой отделяем в химический стакан на 100мл.
Определяем содержание йода в воде после первой экстракции. Дляэтого также проводим титрование отделенной части воды стандартнымраствором тиосульфата натрия.
| измерены | среднее | ||
| V I 2 | |||
| V Na 2 S 2 O3 |
Расчет нормальности йода после первой экстракции:
N1 I2 =V Na 2 S 2 O 3 V Na 2 S 2 O 3/ V I 2
Расчет массы йода перешедшего в экстрагент (бензол):
m=V I 2 N I 2Э I 2 - V1 I 2 N1 I 2Э1 I 2
Расчет нормальной концентрации йода в экстрагенте (бензоле):
N1Э I 2 =m× 1000/ × Э I 2VЭ
Расчет коэффициента распределения йода между фазами (водой и
бензолом)
K=N1Э I 2/N1 I2
Нормальность йода в воде после второй экстракции:
N1Э I 2 = K × N 1 I 2
Концентрация йода в воде после второй экстракции:
N2 I 2 =m2 I 2× 1000/ × Э I 2V I 2