3. Механизм экстракции

Экстракция представляет собой распределение, т.е. одновременное и взаимосвязанное растворение вещества в двух соприкасающихся жидких фазах. Почти всегда растворение и экстракция обусловлены одними и теми же причинами. Д.И. Менделеев более 100 лет назад доказал, что при растворении образуются малопрочные соединения растворенного вещества с растворителем. Растворение и экстракция - это процессы, в которых наиболее заметно проявляется действие межмолекулярных сил.

Причины, вызывающие растворение или переход вещества из одного растворителя в другой, могут быть разными. Межфазное равновесие достигается в результате влияния ряда факторов, действующих между молекулами экстрагируемого вещества и экстрагента.

1. Ван-дер-ваальсовы силы

Различают три слагаемых этого взаимодействия:

- ориентационное (диполь-дипольное),

- индукционное

- дисперсионное взаимодействия.

Силы Ван-дер-Ваальса всегда характеризуются как слабые (0,5-1 кДж/моль). Они универсальны, проявляются во всех реальных системах и не имеют направленности. Процессы, обусловленные такими силами, не приводят к образованию сольватов определенного состава (имеет место так называемая неспецифическая сольватация). Экстракция только за счет сил Ван-дер-Ваальса наблюдается при извлечении алифатических соединений алифатическими углеводородами. Эти силы не могут конкурировать с водородными связями. Понятно, что константы распределения, обусловленного действием Ван-дер-ваальсовых сил, значительно меньше по сравнению с константами распределения данного вещества между другими растворителями и водой (действие водородных связей).

2. Сольватация молекулы экстрагируемого вещества одной или несколькими молекулами экстрагента с образованием сольвата определенного состава (специфическая сольватация) вследствие:

- донорно-акцепторного взаимодействия (образование π-комплексов)

- под влиянием межмолекулярных водородных связей.

Эти взаимодействия отличаются выраженной направленностью.

Межмолекулярная водородная связь возникает при наличии двух функциональных групп: одна группа содержит атомы - доноры протонов (-СООН, -ОН, -NH₂, -CONH₂), другая группа имеет атомы - акцепторы протонов (азот аминов, кислород эфирной, спиртовой, карбонильной групп, а также атомы фтора и хлора).

Водородные связи менее прочны, чем обычные химические связи, но значительно прочнее Ван-дер-ваальсовых сил. Энергия водородной связи порядка 20 - 40 кДж/моль. Поэтому константы распределения при образовании водородных связей между молекулами экстрагируемого вещества и экстрагента могут быть очень большими. Одновременно с образованием сольватов между молекулами экстрагируемого вещества и экстрагента всегда действуют силы Ван-дер-Ваальса, однако их влияние здесь почти не ощущается. Комплексы с водородной связью при повышении температуры разрушаются.

Можно предвидеть влияние водородных связей на коэффициент распределения. Если экстрагируемое вещество А образует водородные связи с хорошо растворимым в воде веществом В, то введение В удерживает А в водной фазе, т.е. значение коэффициента распределения D_a уменьшается. Напротив, если В мало растворимо в воде, но хорошо растворяется в экстрагенте, то водородные связи между А и В образуются в фазе экстрагента, что увеличивает D_a.

π-Комплексы образуются в результате смещения электронов π -орбитали в молекуле донора к молекуле акцептора. В качестве доноров могут выступать ароматические соединения, в качестве акцепторов - полинитросоединения, амины, кислоты и др.

3. Химическое взаимодействие растворенного соединения с экстрагентом или со специально введенными реактивами, приводящее к образованию экстрагируемых соединений. Сюда относится экстракция веществ в виде солей, ионных ассоциатов, внутрикомплексных соединений.

Таким образом, силы, действующие между молекулами экстрагируемого вещества и экстрагента, по влиянию на константы распределения можно расположить в следующий ряд:

химическое взаимодействие > водородные связи > связи в π -комплексах > силы Ван-дер-Ваальса.