Экстракционные методы анализа

Экстракция — это метод выделения, разделения и концентри­рования веществ, основанный на распределении растворенного вещества между двумя несмешивающимися жидкими фазами с условием преобладания его в одной из фаз. Обычно в практике применяют системы, в которых одной фазой является водный раствор, а второй - органический растворитель, природа которого в ряде случаев оказывает существенное влияние на экстракцию.

Преимущества экстракции по сравнению с другими метода­ми разделения, индивидуального и группового выделения ком­понентов связаны с большой скоростью достижения межфазного равновесия, быстрым отделением одной фазы от другой, а также с тем, что соэкстрация мешающих элементов мала.

Основные понятия. Количественные характеристики. Экстрагенты.

Соединение (обычно в органической фазе), ответственное за образование экстрагируемого соединения, назы­вают экстрагентом. Инертные органические растворители, та­кие, как хлороформ, тетрахлорид углерода, бензол, применяемые для улучшения физических и экстракционных свойств экстрагента, называют разбавителями. Органическую фазу, отделенную от водной фазы и содержащую экстрагированные соединения, назы­вают экстрактом. Перевод вещества из органической фазы в водную называют реэкстракцией, а раствор, используемый для реэкстракции – реэкстрагентом.

На практике распределение каждого вещества между двумя ограниченно смешивающимися фазами характеризуют коэффициентом распределения (D), значение коэффициента распределения зависит от условий экстракции. Эффективность однократ­ной экстракции характеризуется степенью извлечения (R). Степень извлечения связана с коэффициентом распределения и объемами водной и органической фаз. Для достижения максимальной степени экстракции число после­довательных экстракций может быть не более 5 – 6.

Условия экстракции при разделении выбирают так, чтобы значение коэффициента разделения двух веществ А и В α_А/B = D_А/D_В было высоким и D_AD_B ≈ 1. Для улучшения разделения элементов экстракцию проводят в присутствии маскирующих веществ.

Экстрагенты. Очень часто для экстракции применяют полидентатные органические реагенты, образующие с ионами метал­лов внутрикомплексные соединения малорастворимые в воде, но хорошо растворимы в органических растворителях. Схемы разделения, приведенные в методическом руководстве, основаны на избирательном действии экстракционных реагентов, образующих внутрикомплексные соединения – дитизона, диэтилдитиокарбамината натрия (ДЭДТК), 8-оксихинолина и ацетилацетона.

Выбор органического растворителя для экстракции зависит от состава соединения. Если в состав соединения не входят молекулы воды (координационно-насыщенные соединения, на­пример 8-оксихинолинат алюминия, имеющий состав Al(C₉H₆NO)₃), то природа органического растворителя относите­льно мало влияет на экстракцию, и можно использовать разные органические растворители: хлороформ, бензол, спирты и др. Если в состав соединения входят молекулы воды, т. е. часть координационных мест занята молекулами воды (например, 8-оксихинолинат магния, имеющий состав Mg(C₉H₆NO)₂ × 2Н₂O), то такие внутрикомплексные соединения экстрагируются только растворителями с большой сольватирующей способностью, ко­торые могут либо замещать молекулы воды, либо их блокиро­вать. К таким растворителям относятся кислородсодержащие растворители: спирты, эфиры, кетоны. Можно использовать сме­си растворителей; например, смесь хлороформа со спиртом мо­жет экстрагировать оксихинолинат магния.

Практические рекомендации. Экстракцию проводят в дели­тельных воронках. После сливания всех необходимых реагентов и экстрагента делительную воронку закрывают стеклянной проб­кой и, придерживая пробку указательным пальцем, взбалтывают или плавно перевертывают воронку в течение определенного времени, обычно 2–3 мин.

Если плотность органического растворителя больше плот­ности воды, органическая фаза находится снизу (хлороформ, тетрахлорид углерода), а если плотность органического раство­рителя меньше плотности воды, органическая фаза располагается сверху (бензол, диэтиловый эфир, метилизобутилкетон). После расслаивания фазы разделяют с помощью крана и работают с каждой фазой отдельно. Если в водной фазе необходимо далее проводить экстракцию других элементов, ее помещают в дели­тельную воронку. Если водная фаза – нижний слой, ее сливают через кран в другую делительную воронку. Если водная фа­за – верхний слой, органическую фазу сливают, а водную фазу оставляют в той же воронке.

Для извлечения вещества из органической фазы используют реэкстракцию. К органической фазе в делительной воронке до­бавляют реэкстрагент, закрывают делительную воронку пробкой и взбалтывают или плавно перевертывают воронку в течение необходимого времени (так же как при экстракции). После расслаивания разделяют фазы и обнаруживают искомый элемент в реэкстракте. Реэкстракция может быть использована и для разделения элементов, находящихся в органической фазе. Для этого исполь­зуют селективные реэкстрагенты.

Вопросы по теме

1. В чем сущность метода экстракции? Записать уравнение, которому подчиняется распределение вещества между несмешивающимися растворителями.

2. Дать определения понятий: коэффициент распределения, константа распределения, константа экстракции, степень (фактор) извлечения, коэффициент разделения, фактор обогащения.

3. Вывести уравнение для расчета числа экстракций, необходимого для достижения заданной степени извлечения.

4. Назвать органические растворители, наиболее часто используемые в методах экстракции.

5. Что характеризует возможность разделения двух веществ методом экстракции?

6. Какие факторы оказывают влияние на экстрагируемость и полноту экстракции?

7. В чем сущность методов концентрирования: а) с экстракцией микропримесей; б) с экстракцией макрокомпонента?

8. В чем сущность реэкстракции определяемого вещества в водную фазу?

9. Каковы достоинства и недостатки методов экстракции?