Способы осуществления экстракции

Периодическая экстракция представляет собой экстракцию вещества из водной фазы отдельными порциями свежего экстрагента.

Непрерывная экстракция осуществляется при непрерывном и относительном перемещении двух фаз; одна из фаз, обычно водная, остается неподвижной.

Последовательность операций при противоточной экстракции заключается в том, что верхняя, как правило, органическая фаза переносится последовательно через серию экстракционных трубок и в каждой из них контактирует со свежими порциями нижней водной фазы до установления равновесия. Таким образом, на каждой стадии происходит распределение веществ между свежими порциями обеих фаз. Процесс установления равновесия и переноса повторяют n раз.

Фактор разделения двух веществ. Условия их разделения

Под фактором разделения S двух веществ А и В подразумевают отношение коэффициентов распределения D(А) и D(В) этих двух разделяемых веществ, причем обычно – большего коэффициента к меньшему (чтобы S был больше 1):

S(A/B) = D(A) /D(B). (12)

При S(A/B) = 1 разделение двух веществ А и В невозможно. Разделение происходит, если соблюдаются следующие два условия:

S(A/B)  10⁴ D(A)D(B)  1.

Пример 1. Пусть экстрагируются два вещества А и В, причем V_водн = V_орг , D(А) = 10⁴ и D(В) = 10^-1.

Тогда S(А/В) = D(А)/D(В) = 10⁴/10^-1 = 10⁵  10⁴, т.е. первое условие выполняется. Однако произведение коэффициентов распределения D(А)D(В) = 10⁴10^-1 = 10³  1, т.е. второе условие не выполняется. Поскольку одно из условий не соблюдено, то полное разделение не осуществляется. Действительно, согласно (8)

R(А) = D(А)100% /(D(А) + V_водн/V _орг) = 10⁴100% /(10⁴ + 1) = 99,99%,

R(В) = D(В)100% /(D(В) + V_водн/V _орг ) = 10^-1100% /(10^-1 + 1)  9%.

Следовательно, хотя вещество А извлекается практически полностью (на 99,99%), однако одновременно с ним экстрагируется и заметное количество вещества В (до  9%), т.е. разделение двух веществ А и В методом экстракции в данном случае неэффективно.

Пример 2. Пусть теперь D(А) = 10², D(В) = 10^-3 и, как и ранее, V_водн = V_орг. Тогда S(А/В) = D(А)/D(В) = 10²/10^-3 = 10⁵  10⁴, первое условие выполнено. Далее D(А)D(В) = 10²10^-3 = 10^-1  1, т.е. и второе условие собдюдается. Следовательно, разделение двух веществ А и В методом экстракции возможно. Действительно, в соответствии с (8)

R(А) = D(А)100% /(D(А) + V_водн/V_орг) = 10²100% /(10² + 1)  99%,

R(В) = D(В)100% /(D(В) + V_водн/V_орг) = 10^-3100% /(10^-3 + 1)  0,1%.

Таким образом, вещество А на 99%, а вещество В только на 0,1% перешли в органическую фазу, т.е. разделение проведено вполне удовлетворительно.

Контрольные вопросы и задачи

1. В чем сущность метода экстракции? Какие задачи решают с помощью этого метода?

2. Что такое константа и коэффициент распределения? От чего они зависят?

3. Охарактеризуйте величину степени извлечения R вещества А. В каких единицах она выражается?

4. Какова связь между степенью извлечения (R) компонента и его коэффициентом распределения (D)?

5. Назовите типы соединений, в виде которых экстрагируются ионы металлов. Приведите примеры.

6. Факторы разделения муравьиной и серной кислот составляют 15, 648 и 3864 соответственно в трех растворителях: н-амиловом спирте, диэтиловом эфире и метилизобутилкетоне. Какой из растворителей обеспечит более полное разделение указанной смеси кислот?

7. Рассчитайте коэффициент распределения D фенола между водой и хлороформом при 25 ^оС, если аналитические концентрации фенола в воде и хлороформе равны С_водн = 0,0737 и С_орг = 0,254 моль/л.

8. Рассчитайте коэффициент распределения D уксусной кислоты СН₃СООН между хлороформом и водой при 25 ^оС, находящимися в равновесии, если аналитические концентрации уксусной кислоты в водной и органической фазах соответственно равны 1,188 и 0, 1351 моль/л.

9. Рассчитайте коэффициент распределения D иода между сероуглеродом и водой, находящимися в равновесии при 25 ^оС, если аналитические концентрации иода в органической и водной фазах соответственно равны 0,03036 и 5,1810^-5 моль/л.

10. При экстракционно-фотометрическом определении палладия его экстрагировали в дихлорэтан в форме нитрониодидного комплекса при равенстве объемов водной и органической фаз. Рассчитайте коэффициент распределения D и степень извлечения R, если исходная концентрация Pd²⁺ в водной фазе составляла 2,5 мкг/мл, а концентрация Pd²⁺ в водной фазе после экстракции соответствовала 0,02 мкг/мл.

11. При экстракции диэтиловым эфиром микроколичеств сурьмы(V) из водных солянокислых растворов (С(HCl) = 6 моль/л) коэффициент распределения сурьмы(V) D(Sb^V) = 4,7. В присутствии в водном растворе железа(III) коэффициент распределения сурьмы(V) возрастает до 22,1 (наблюдается соэкстракция). Рассчитайте степень извлечения сурьмы(V) из водных растворов в органическую фазу при отсутствии и присутствии железа(III), если объемы водной и органической фаз одинаковы.

12. Определите степень извлечения иода R однократной экстракцией сероуглеродом из водной фазы при 25 ^оС, если аналитические концентрации иода в водной и органической фазах, находящихся в равновесии, равны 2,57110^-4 и 0,1676 моль/л соответственно. Объемы водной и органической фаз одинаковы.

13. Коэффициент распределения бензойной кислоты между диэтиловым эфиром и водой при 10 ^оС составляет D = 90,91. Определите отношение объемов органической и водной фаз, при котором степень извлечения бензойной кислоты из водного раствора будет равна R = 99%.

14. Определите степень извлечения R_p пикриновой кислоты из водного 0,05 М раствора при трехкратной экстракции бензолом (V_бенз/V_водн) = 1 : 10. Коэффициент распределения пикриновой кислоты в системе бензол – вода составляет 35.

15. Определите число последовательных экстракций p для извлечения на 99% бензойной кислоты из водного раствора диэтиловым эфиром, если каждый раз для извлечения берется объем органической фазы, в 10 раз меньший объема водной фазы. Коэффициент распределения D = 90,91.

16. Определите степень извлечения и понижение концентрации в водной фазе за одну экстракцию при встряхивании 50,0 мл раствора, содержащего FeCl₃ и HCl с концентрациями 0,5 и 5 моль/л соответственно, с 5,0 мл диэтилового эфира, если коэффициент распределения в системе эфир – вода в этих условиях составляет 17,6. Рассчитайте число последовательных экстракций, необходимых для доведения концентрации Fe³⁺ в водной фазе до 510^-3 моль/л.

17. Может ли быть достигнуто количественное разделение веществ А и В, если их коэффициенты распределения равны D(А) = 10³ и D(В) = 10^-1?