Экстракция как метод разделения и концентрирования веществ

     Экстракция как метод разделения и

            концентрирования  веществ

Оглавление 

Введение…………………………………………………………………………...3 

Основные  количественные характеристики процессов экстракции…………..4 

Влияние различных факторов на  экстракцию ………………………................7 

Кинетика экстракции………..……………………………………………………9 

Требования, предъявляемые к органическим растворителям для экстракции..............................................................................................................10 

Способы организации процесса экстракции...………………………………...13 

Заключение  ………..…………………………………………………………….14 

Список литературы…………………………………………………………...….15 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                        ВВЕДЕНИЕ

   Во  многих случаях затруднительно анализировать сложные по составу смеси, из-за низкой концентрации определяемых веществ и содержания примесей. мешаюших  их определению. Для решения этой проблемы были созданы методы разделения и концентрирования, с помощью которых удалось   расширить применимость  инструментальных  методов  анализа

(хроматографии, спекрофотометрии, амперометрии).Одним из таких методов является  экстракция.

   В настоящее время, экстракция как  метод аналититической химии  отличается высокой избирательностью, простотой проведения, универсальностью (возможно выделить практически любой  элемент), совместимостью с разными методами определения. Достоинствами эктракции являются низкие рабочие температуры, рентабельность извлечения веществ из разбавленных растворов, возможность разделения смесей, состоящих из близкокипящих компонентов, и азеотропных смесей, возможность сочетания с другими технологическими процессами (ректификацией, кристаллизацией), простота аппаратуры и доступность её автоматизации. Экстракционные методы применяют для концентрирования, извлечения индивидуальных веществ или смесей, для определения содержания примесей в исследуемом образце. При использовании методов экстракции отсутствует химическое превращение разделяемых веществ и не образуются побочные продукты. Вещества, выделенные с помощью метода экстракции, как правило, не содержат примесей, связанных с процессами адсорбции и окклюзии. Этот метод оправдывает себя при разделении термолабильных веществ. Использование метода экстракции для концентрирования позволяет переводить вещества из сильно разбавленных растворов в небольшой объем органического растворителя. Кроме того, экстракция позволяет изучать состояние веществ в растворе при различных условиях и определять их физико-химические характеристики.

   Несмотря  на то, что экстракция как метод разделения длительное время применяется в аналитической химии и химической технологии, теоретические основы этого метода долгое время оставались неизученными. В частности, оставались неизученными основные количественные характеристики экстракционных процессов, что было определенным препятствием для широкого внедрения экстракции в практику 

М. Бертло и Ю. Юнгфлейш были первыми исследователями, которые в 1872 г. на основании экспериментальных данных показали, что отношение равновесных концентраций вещества, распределяющегося между двумя жидкими фазами, является постоянным. Это отношение термодинамическим путем было выведено В. Нернстом, который в 1891 г. сформулировал закон   распределения. Наиболее мощный толчок развитие  экстракции  получило только в середине 20го столетия в связи с работами в области ядерной технологии.

   Начало  количественному описанию  экстракции с химических позиций положили Кольтгоф и Сендел, которые вывели в 1941 году уравнение, характеризующее  экстракцию  хелатов. Ирвинг и Уильямс развили эту теорию. Последующие интенсивные исследования привели к выяснению химизма большинства экстракционных процессов.

     Экстракция - это процесс разделения смеси жидких или твёрдых веществ с помощью избирательных (селективных) несмешивающихся  растворителей - экстрагентов. Объекты, из которых извлекают соответствующие соединения, могут быть твердыми веществами и жидкостями. Поэтому процессы извлечения подразделяют на экстракцию в системе твердое тело — жидкость и на экстракцию в системе жидкость — жидкость (жидкостную экстракцию). 

   В зависимости от состава и свойств  экстрагентов экстракционные системы подразделяются на две группы. К первой группе относятся экстракционные системы с так называемым «физическим» распределением компонентов. В этих системах отсутствует химическое взаимодействие между экстрагентом   и экстрагируемыми веществами. Различная растворимость некоторых веществ, а следовательно, и неодинаковая экстрагируемость их объясняются физическими свойствами этих веществ и экстрагеитов (дипольный момент, диэлектрическая проницаемость и др.).

   Ко  второй группе относятся экстракционные системы, в которых экстракция осуществляется за счет химического взаимодействия извлекаемых веществ с экстрагентами. Эффективность разделения веществ в таких системах зависит от прочности образующихся соединений или комплексов. Эти экстракционные системы используются для извлечения неорганических веществ.

   Экстракция с помощью экстрагентов, взаимодействующих с экстрагируемыми веществами, является более сложным процессом, чем экстракция, основанная на физическом распределении. При использовании экстрагентов, взаимодействующих с экстрагируемыми веществами, процессы экстракции могут осложняться побочными реакциями. В ряде случаев одновременно может происходить экстракция нескольких различных соединений.

  Основные количественные  характеристики процессов экстракции

   Будучи  гетерогенным процессом,  экстракция  подчиняется правилу фаз Гиббса:

                             N + F = K + 2,

где N - число фаз, F - число степеней свободы, K - число компонентов.

   При  экстракции  обычно две фазы (N = 2), одно распределяемое вещество (K = 1). Следовательно, при постоянных температуре и давлении система моновариантна (F = 1). Таким образом, если концентрация растворенного вещества в одной фазе постоянна, то его концентрация в другой фазе также постоянна. Соотношение между концентрациями растворенного вещества в каждой из фаз привело к формированию закона распределения.

   Переход экстрагируемого вещества из одного растворителя в другой определяется разностью химических потенциалов данного вещества в этих растворителях. Процесс перераспределения происходит до тех, пока химические потенцалы  в обеих фазах не выравняются.

  m _о = m _В,

где m_В , m _о – химический поенциал вещества в водной и органической фазах соответственно.

   Химический  потенциал вещества определяется соотношением

   m=m + RTlna,   

где m – стандартный химический потенциал, a – его активностьR – универсальная газовая постоянная, T – абсолютная температура.

Следовательно, для обеих фаз имеем:

m _о =m _о + RTlna _о   m _В =m _В + RTlna _В,   

m _о + RTlna _о =m _В + RTlna _В   

Ln (a _о /a _В) = (m _о -m _В)/RT = const,

  при T = const, так как химические потенцалы при постоянной температуре постоянны. Из этого следует, что

  a _о /a _В = K= const

это соотношение  выражает закон распределения, K – константа распределения.

   Согласно  закону распределения,при постоянной температуре, вещество, растворенное в двух несмешивающихся или ограниченно смешивающихся жидкостях, распределяется между ними в постоянном отношении.  Из этого закона следует, что при одновременном растворении нескольких веществ каждое из них распределяется между обеими жидкими фазами таким образом, как будто в системе нет никаких других веществ, подлежащих распределению. Величина константы распределения зависит от природы распределяемого вещества, состава и свойств применяемого экстрагента, температуры, при которой производится экстракция, равновесных концентраций экстрагируемого вещества и объемов водной и неводной фаз.

   Закон распределения справедлив лишь в  том случае, если распределяемое вещество в обеих фазах находится в одной и той же форме.

   Однако  во многих экстракционных системах  это условие не соблюдается. В  одной из жидких фаз могут происходить диссоциация, ассоциация, сольватация, гидролиз распределяемого вещества, образование комплексов и т.д. Для расчетов экстракционных равновесий в таких системах не принимают во внимание форму существования вещества в каждой фазе, а учитывают только отношение суммарных аналитических концентраций распределяемого вещества в обеих фазах, на основании которого можно рассчитать коэффициент распределения.