Экстракция как метод разделения и концентрирования веществ

Коэффициент распределения — это отношение  суммарной аналитической концентрации вещества в фазе органического растворителя к суммарной аналитической концентрации этого вещества в водной фазе (без учета того, в какой форме находится вещество в каждой фазе):

D = С _о/ С _В ,

 где  D — коэффициент распределения;

С _о— суммарная аналитическая концентрация вещества в фазе органического растворителя, моль/л;

С _В— суммарная аналитическая концентрация вещества в водной фазе, моль/л.

   Коэффициент распределения зависит не только от температуры, но и от концентраций распределяемого вещества в обеих жидкостях, от природы и концентраций других растворенных веществ, pH водной среды.

   Степень экстракции (процент экстракции) — это отношение количества экстрагированного вещества к общему (начальному) количеству этого вещества в водном растворе:

  R = (A/N) 100% 

где R —  степень экстракции вещества, %; А — количество вещества, которое экстрагировалось органическим растворителем; N — начальное количество вещества в водном растворе.

   Количество вещества А, которое экстрагируется органическим растворителем, можно определить экспериментальным путем, применив соответствующий метод количественного определения. Зная начальное количество вещества и количество этого вещества, перешедшего в органический растворитель, рассчитывают степень экстракции.

Степень экстракции вещества можно определить не только экспериментальным путем, но и путем соответствующих расчетов, зная константу или коэффициент распределения вещества, а также отношение объемов водной фазы и фазы органического растворителя. Степень экстракции связана с указанными величинами следующим соотношением:

R = (D/D+r) 100%

где R —степень экстракции; D— константа распределения; r = V _B /V _о

   На основании числовых значений константы распределения и степени экстракции можно рассчитать ряд других количественных характеристик процессов экстракции.

      Условия разделения двух веществ.

Величину, характеризующую возможность разделения двух веществ, называют фактором разделения Фактор разделения двух веществ A и B это отношение коэффициентов распределения D(A) и D(B)  двух разделяемых веществ , обычно бодьшего к меньшему.

   S(A/B) = D(A)/D(B)

   Разделение  возможно, если

S(A/B) >10 

 Необходимо также, чтобы произведение констант их распределения было меньше или равно единицы

D(A) D(B) <1

   В случае , когде S(A/B) =1 разделение двух веществ методом экстракции невозможно.

     Влияние различных факторов на экстракцию

   На экстракцию веществ органическими растворителями оказывают влияние различные факторы: объем экстрагента и число последовательных экстракций, природа экстрагируемого вещества, природа экстрагента, температура, рН среды, присутствие электролитов в водных растворах, скорость взбалтывания и др.

   Влияние обьема экстрагента и числа последовательных экстракций.

   Зависимость степени извлечения от объема исходной водной фазы  объема экстрагента   и чила экстракций одинаковым объемом  эксрагента выражается зависимостью:

   R = [1 – 1/(1 + DV _о /V _В) ] 100%,

     Где D коэффициент распределения, n число последовательных экстракций.

   Из  этой формулы следует:

1. чем больше число последовательных экстакций n, тем выше степень извлечения
2. чем больше объем органического экстрагента, тем выше степень извлечения
3. увеличение числа послелдовательных экстракций сильнее влияет на степень извлечения, чем увеличение объема растворителя в то же число раз.

   Исходя  из этого, как правило применяют  3-5 последовательных экстракции небольшими объемами растворителя. Но при высоком  коэффициенте распределения для практически полного извлечения вещества бывает достаточно одной экстракции.

   Влияние температуры на экстракцию.

Изменение температуры влияет на константу распределения экстрагируемого вещества. Это объясняется тем, что при изменении температуры изменяется растворимость экстрагируемых веществ в каждой фазе, а также изменяется взаимная растворимость органической и водной фаз. Причем с изменением температуры растворимость вещества в каждой фазе изменяется неодинаково. Это является одной из причин изменения константы распределения вещества при изменении температуры.

При изменении температуры может изменяться диссоциация и ассоциация вещества в соответствующей фазе. Поэтому изменяется сольватация и экстрагируемость химических соединений.

   Влияние рН среды на экстракцию тесно связано с механизмом экстракции. Согласно теории растворов, растворение вещества в воде или в органических растворителях сопровождается образованием малопрочных соединений молекул этого вещества с молекулами растворителя. Если растворителем является вода, то в растворе образуются гидраты, а если растворителем является органический растворитель, то в растворах образуются сольваты молекул растворенного вещества.

При взбалтывании водного раствора вещества с органическим растворителем, который не смешивается с водой, гидратная оболочка молекул растворенного вещества разрушается. Молекулы воды в гидратной оболочке замещаются молекулами органического растворителя, в результате чего образуются сольваты молекул растворенного вещества, которые легко переходят в органический растворитель.

Хорошо  экстрагируются молекулы тех веществ, сольваты которых в фазе органического растворителя являются более прочными, чем гидраты этих молекул в воде.

   Электролиты в водных растворах частично или полностью распадаются на ионы, несущие определенный заряд и хорошо гидратируемые диполями воды. Связь ионов с диполями воды относительно прочная. Поэтому ионы, имеющие прочные гидратные оболочки, остаются в водной фазе и не экстрагируются органическими растворителями. Ими могут экстрагироваться только недиссоциированные молекулы соответствующего вещества. Это необходимо учитывать при экстракции органических веществ, являющихся слабыми электролитами. Степень экстракции этих веществ зависит от рН среды. С изменением рН раствора изменяется степень диссоциации молекул, следовательно, изменяется и относительное количество недиссоциированных молекул вещества. С увеличением количества недиссоциированных молекул увеличивается степень экстракции слабых электролитов и наоборот.

   Экстракция  металлов в форме комплексных  соединений также может зависеть от pH, поскольку в образовании комплекса, как правило, принимают участвие лиганды, способные участвовать в кислотно–основных равновесиях. В таких случаях коэффициент распределеи\я зависит от pH  от константы устойчивости комплекса.

   Сильные электролиты, хорошо диссоциирующие в воде на ионы, не экстрагируются органическими растворителями.

   Прибавление хорошо растворимых солей электролита к водному раствору другого вещества может как понижать так и повышать его растворимость в воде. Понижение растворимости веществ в водных растворах под влиянием электролитов называется высаливанием, повышение – всаливанием.