Екстракція. Перші кроки

Теорія

Головною характеристикою будь-якого екстракційного процесу, є коефіцієнт розподілу (D). Коефіцієнт розподілу визначається відношенням концентрації екстрагуються речовини в органічній фазі до концентрації речовини у водній фазі після того, як настала рівновага, тобто        

D = Cорг   / Зведена.         

(1)     

Для того щоб зрозуміти, яка частина речовини перейшла в органічну фазу, слід користуватися іншою характеристикою - коефіцієнтом вилучення (a), який є тією часткою речовини, що перейшла в органічну фазу. Існує зв'язок між коефіцієнтом розподілу і коефіцієнтом вилучення:        

a = 1 /   (1 + Vводн/(D Vорг )),         

(2)     

де

Vводн - Об'єм водної фази;

Vорг - Обсяг органічної фази.

З формули видно, що чим більший об'єм органічної фази, тим більше коефіцієнт витягання, тобто тим більше речовини переходить в органічну фазу. Коефіцієнт витягу є важливим аналітичним параметром, тому що завжди важливо знати при розробці аналітичної методики повноту вилучення визначуваного речовини.

У екстракції існує золоте правило, яке говорить: якщо не можна повно витягти речовина за одну операцію, то це можна зробити набагато ефективніше кількома послідовними процедурами з меншими сумарними витратами екстрагентів. Пояснимо сказане на прикладі!

Припустимо, що ми використовуємо екстракційний систему з наступними параметрами: D = 4, Vводн = 1мл, Vорг = 1мл. Неважко розрахувати коефіцієнт витягу. Він буде дорівнює 0,8. Показник вилучення очевидно малий. Для того щоб хоча б 99% речовини перейшло в органічну фазу треба взяти не 1 мл органіки, а 25 мл. Подібного результату можна досягти, якщо провести 3-хкратную екстракцію, використовуючи кожен раз свіжу порцію екстрагентів об'ємом 1 мл. Коефіцієнт сумарного вилучення (a заг) такої процедури можна розрахувати за формулою:        

a заг   = A (1 + (1-a) + (1-a) 2 +...+( 1-a) n-1),         

(3)     

де n - число екстракційних процедур.

Для нашого випадку a заг = 0,992, так як a заг = 0,8 (1 + (1-0,8) + (1-0,8) 2).

Таким чином, замість 25 мл ми використовували 3мл.

Слід звернути увагу на те, що вживання менших обсягів екстрагентів переважно, оскільки концентрація аналізованого речовини в екстрагентів виходить вище. Це важливо для подальших аналітичних операцій!

Говорячи про коефіцієнті розподілу (D), як про константі, що характеризує властивості екстракційної системи, необхідно зробити важливе застереження. Справа в тому, що коефіцієнт розподілу постійний тільки в тому випадку, якщо концентрація екстрагентів істотно перевершує концентрацію екстрагуються речовини, тому що коефіцієнт розподілу є окремим випадком загальновідомою термодинамічної константи рівноваги. Розглянемо загальний випадок, коли досліджуваний речовина A утворює з'єднання з декількома молекул екстрагентів (S) в органічної фазі:        

A + m S ASm.         

(4)     

Константа рівноваги з'єднання матиме такий вигляд:        

K = [A] [S] m/[ASm].         

(5)     

Якщо користуватися поняттям коефіцієнта розподілу, то        

K = [S] m/D   , Так як D = [ASm]/[A].         

(6)     

З цих формул видно, що коефіцієнт розподілу (D) буде постійний тільки в тому випадку, якщо витрата екстрагентів на освіту з'єднання [ASm] буде исчезающе малий.

На підставі даних про коефіцієнт розподілу можна отримати відомості про координацію екстрагуються речовини з молекулами екстрагентів. Для цього визначають коефіцієнти розподілу при різних концентраціях екстрагентів. Тоді графік експериментальних результатів в координатах lgD від lg [S] буде прямий, нахил якої дорівнює числу молекул екстрагентів на одну молекули екстрагуються речовини. Це випливає з формули (6), тому що        

lgD = m lg [S] + lg (1/K).         

(7)     

Техніка експерименту

Максимум, що потрібно для організації екстракційного експерименту - це пробірки з притертими скляними пробками і спеціальні піпетки з довгими кінцями для відбору органічної (або водної) фази після екстракції (див. рис 1).        

    

Рис. 1.

Деякі експериментатори використовують замість пробірок і піпеток ділильні лійки, але я не рекомендую наслідувати їх приклад. По-перше, нелегко знайти ділильні воронки невеликих обсягів. По-друге, якщо кран ділильної воронки заклинить, то відкрити його, нічого не протоку, набагато важче, ніж вийняти заклинили пробку з пробірки.

Процедура екстракційного вилучення виглядає невитіювато. У пробірку наливають відміряних аналізовану пробу і розчин екстрагентів в органічному розчиннику. Пробірку закривають пробкою і починають перемішувати вміст обережним струшуванням. Час від часу пробірку на час відкривають. Це роблять для того, щоб гази органічного розчинника, що утворюються при струшуванні, не вибили пробку з пробірки.

Занадто інтенсивно перемішувати не варто, тому що це призведе до утворення стійкої емульсії, яка буде руйнуватися кілька днів. Якщо емульсія все-таки утворилася, то суміш можна центріфугіровать для кращого розшаровування фаз.

Після перемішування пробірку залишають на кілька хвилин у спокої до повного поділу фаз. Перед тим, як приступити до відбору потрібної для подальшого аналізу фази, треба з'ясувати, яка з 2-х фаз є органічною - нижня або верхня. На цей випадок є просте правило: поверхню розділу фаз завжди вигнута у бік водної фази. Однак немає правила без винятку. Якщо в водній фазі присутні сильні поверхнево-активні речовини, то поверхня розділу може бути вигнута у бік органічної фази.

Після того, як положення потрібної фази визначено, відбирають проби на аналіз. Однак відібрана проба може бути каламутній або містити краплі чужорідної фази. Для усунення цих небажаних явищ пробу фільтрують через паперовий фільтр.

Список літератури

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://www.novedu.ru/