Глава 13 экстракция

ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ

Экстракцией называют метод извлечения растворите­лями из смеси каких-либо веществ того или другого компонента.

В основе этого метода лежат закон распреде­ления вещества между двумя несмешивающими-ся жидкостями (если экстрагируют вещество из раствора в какой-нибудь жидкости) иразличная раство­римость отдельных веществ в данном растворителе (если вещество извлекают из смеси с другими веществами).

Большинство веществ (как жидких, так и твердых) растворяется в нескольких растворителях. Если данное вещество растворено в каком-либо растворителе и к этому раствору прибавить другой растворитель, не смешиваю­щийся с первым, то часть вещества перейдет в этот рас­творитель, образуя два слоя несмешивающихся жидкостей, в которых будет содержаться данное вещество. При этом распределение вещества между двумя растворителями будет вполне определенным для каждого отдельного случая*.

Например, уксусная кислота очень хорошо раство­ряется в воде й в бензоле. Бензол же в воде практически нерастворим. Поэтому, если к водному раствору уксус­ной кислоты добавить бензол, то уксусная кислота рас­пределится между водой и бензолом. Повторяя операцию несколько раз, можно извлечь из воды почти всю уксус­ную кислоту.

* Отношение концентраций растворенного вещества в обеих жидких фазах называется коэффициентом распреде­ления.

Если же взять такой случай, когда растворители сме­шиваются между собой, а данное вещество растворяется только в одном из них, то при добавлении в раствор дру­гого растворителя вещество выпадает.

Например, скипидар растворяется в спирте; если же в спиртовый раствор его добавить воду, то он выпадет в виде тонкой эмульсии. Другой пример: воск хорошо рас­творяется на холоду в хлороформе, но плохо в холодном этиловом спирте. Поэтому, если к хлороформному рас­твору воска добавить некоторое количество спирта, то воск выделится из раствора в виде хлопьев.

Если же имеется смесь двух или нескольких веществ и нужно выделить одно из них, то почти всегда можно подобрать такой растворитель, который растворяет толь­ко нужное вещество и почти не растворяет других.

Одним из важнейших растворителей является вода, в которой растворяется очень большое число различных неорганических и органических веществ.

Экстракция органическими растворителями приме­няется не только для извлечения органических веществ. Очень многие неорганические соли, главным образом гало-гениды и нитраты, также растворяются в органических растворителях и при определенных условиях могут быть извлечены из водных растворов. На этом, в частности, основаны некоторые способы очистки различных неорга­нических солей с целью получения чистых металлов.

Кроме экстрагирования при помощи летучих органи­ческих растворителей или воды, извлечение нужного ве­щества в отдельных случаях можно проводить и нелету­чими органическими веществами. Таким путем, например, можно извлекать некоторые составные части из расти­тельной ткани, если после перемалывания последней по­лученную муку или настаивать, или взбалтывать, или перемешивать с жидкими маслами. Операцию можно про­водить как на холоду, так и при нагревании.

При экстрагировании большое значение имеет темпе­ратура, особенно в тех случаях, когда экстрагируют водой.

В некоторых случаях приходится проводить так назы­ваемую реэкстракцию. Например, органическим раство­рителем можно извлечь из смеси какое-либо вещество, хорошо растворяющееся в воде. Вместо отгонки органи­ческого растворителя полученный экстракт можно обра­ботать водой и все извлеченное вещество перейдет в вод-

516

517

ный раствор, очищенный же от примеси органический растворитель может быть снова использован для экстрак­ции.

В зависимости от того, в каком виде находится экстра­гируемое вещество, приемы экстракции и конструкция применяемых для этой цели приборов несколько изме­няются.

Для удобства рассмотрения процесса экстракции мож­но наметить два случая: экстрагирование твердых ве­ществ (система «твердое — жидкость») и экстрагирование жидкостей (система «жидкость — жидкость»).

Кроме того, в зависимости от применяемых раствори­телей различают экстракцию:

а) водой или водными растворами;

б) органическими растворителями;

в) расплавами.

ЭКСТРАГИРОВАНИЕ ТВЕРДЫХ ВЕЩЕСТВ

Экстрагирование твердых веществ является довольно, распространенной операцией. В зависимости от характера! вещества, которое должно быть извлечено, применяют! или холодный растворитель (холодное экстрагирование), j или горячий растворитель (горячее экстрагирование), 1 Последнее бывает необходимым в случае экстрагированиям веществ, набухающих перед растворением или плохо]

растворимых в холодном растворителе.

-

Холодное экстрагирование

Экстрагирование водой или водными растворами. Вода' является одним из важнейших растворителей для большой] группы неорганических и органических веществ. Кроме! чистой воды, иногда применяют в качестве растворителей] водные растворы кислот, щелочей или различных солей.'] Экстрагирование твердых веществ водой или водными растворами часто называют выщелачивание м.

Обычно водную экстракцию или выщелачивание npo-j водят в стеклянном или форфоровом стакане. Чем труд-1 нее или меньше растворяется извлекаемое вещество в воде, тем больше должно быть отношение «растворитель : твер- '

518

Дое вещество» (ж : т), чтобы больше извлечь за один прием. После добавления воды или водного раствора необходимо некоторое время перемешивать смесь или механизирован­ным путем (см. гл. 8 «Растворение»), или просто стеклян­ной палочкой. Затем, прекратив перемешивание, жидкости дают отстояться. Отстоявшуюся чистую жидкость сли­вают при помощи стеклянной палочки в воронку на фильтр. Воронку вставляют в заранее заготовленную по­суду (приемник). Сливать нужно так, чтобы экстрагируе­мое вещество по возможности не попадало на фильтр. Пусть лучше над твердым веществом останется небольшой слой жидкости. После этого оставшуюся массу снова за­ливают растворителем и повторяют операцию до полного извлечения нужного вещества. Окончание экстракции оп­ределяют по специфической реакции на извлекаемое вещество. Одну-две капли фильтрата из конца воронки помещают на часовое стекло и добавляют нужный реактив. Если проба дает положительную реакцию — выщелачи­вание продолжают. Если же проба будет отрицатель­ной — выщелачивание заканчивают. В лабораторных ус­ловиях можно создать батарею для выщелачивания. Для этого берут несколько стаканов, помещают в них твердое вещество, подлежащее выщелачиванию, и в каждый ста­кан вставляют воронку (вставлять в воронку фильтр в данном случае нет необходимости). Воду или водный рас­твор наливают в первый стакан, перемешивают и дают отстояться. После отстаивания жидкость из первого ста­кана переливают во второй, а в первый наливают свежий растворитель. Из второго стакана подобным же образом раствор переводят в третий и т. д., из первого снова во второй и т. д. Жидкость из последнего стакана сливают в приемник через воронку с фильтром. Таким путем удает­ся получить более концентрированный раствор экстраги­руемого вещества. Такое выщелачивание называют про-

тивоточным.

Для ускорения процесса вместо длительного отстаива­ния жидкость можно отсосать при помощи вакуум-насоса или при помощи «фильтровальных палочек». Или же, рас­положив стаканы ступенчато по высоте, жидкость можно сливать при помощи сифонных трубок. Таким путем про­цесс несколько автоматизируется. На рис. 434 показана схема прибора подобного рода. При работе на дно каждо­го сосуда около сливной трубки помещают слой фильтрую-

519

щего материала, например стеклянную вату, длинноволок* нистый асбест и пр.

Иногда для экстрагирования из твердых веществ при­меняют делительные воронки, однако для экстрагирова­ния из тонко измельченных веществ они очень неудобны.

Когда приходится выщелачивать плав, полученный в тиглях при проведении некоторых химических анализов, можно пользоваться приспособлением, показанным на рис. 435. Из стеклянной палочки изготовляют крючок, одним концом которого зацепляют тигель с плавом, а

Ггй

(гЪ

_4U

_\й

Рис.

434. Каскадная экстракция.

Рис. 435. Выщелачивание химическом стакане.

■

другим — стенку стакана. В стакан наливают жидкость,! в которой должен раствориться плав (например, воду или] раствор кислоты), и закрывают часовым стеклом. Приспо-j собление оставляют стоять до тех пор, пока весь плав не| растворится. Если нужно, проводят постоянное подогре-1 вание, поместив стакан на водяную баню или просто в! горячую воду, налитую в фарфоровую чашку.

При таком закреплении тигля (см. рис. 435) раствор можно не перемешивать, так как около плава возникаю™ конвекционные токи, создаваемые разностью плотностей жидкости у поверхности сплава (насыщение) и верхними слоями ее; образовавшийся более насыщенный раствор опускается на дно, а менее насыщенный — подходит! к плаву.

Экстрагирование органическими растворителями. В этом случае применяют так называемый аппарат Сок-слета (рис. 436). Аппарат состоит из трех частей: колбы,! экстрактора и холодильника, обычно шарикового. Все!

части аппарата соединяются при-помощи шлифов. Каждый аппарат обязательно снабжен запасной колбой.

Основной частью аппарата является экстрактор (рис. 437), верхняя (широкая) часть его соединяется с кол­бой двумя трубками: одной более широкой, через которую пары "жидкости поступают в экстрактор, и изогнутой

Рис. 437 Экстрактор

для аппарата

Сокслета.

Рис. 436. Группа аппаратов Сокслета для экстрагирования.

трубкой (сифоном), служащей для стока сконденсирован­ной жидкости.

Принцип, на котором основано устройство аппарата Сокслета, очень прост. Пары какой-либо жидкости, по­ступая через боковую трубку в экстрактор, сгущаются в холодильнике, и образовавшаяся жидкость поступает в широкую часть экстрактора, где помещается вещество, из которого нужно что-либо экстрагировать.

Когда уровень жидкости достигнет уровня колена отводной трубки, жидкость по последней стекает в колбу. При этом происходит постепенно растворение вещества и

520

$21

оно вместе с растворителем поступает в колбу, где его накопляется все больше и больше, причем количество жидкости практически не изменяется. Это позволяет огра­ниченным объемом растворителя извлечь неограниченное количество экстрагируемого вещества, так как оно все время обрабатывается чистым растворителем.

Аппараты Сокслета устанавливают обычно по несколь­ку штук в специальной водяной бане с определенным чис­лом гнезд для колб. Аппарат можно также установить и отдельно на обычной бане, укрепив экстрактор и холо­дильник на одном штативе.

Работа с аппаратом Сокслета очень несложна и тре­бует только осторожного обращения с экстрактором при сборке и разборке аппарата.

При проведении экстракции прежде всего плотно со­единяют колбу и экстрактор, потом в экстрактор вводят экстрагируемое вещество, плотно завернув его в чистую фильтровальную бумагу и перевязав чистой ниткой. В про­даже имеются специальные патроны, в которые помещают экстрагируемое вещество. Затем в экстрактор наливают растворитель до тех пор, пока он не начнет стекать через ; отводную трубку в колбу; добавляют еще половину объе- I ма налитого растворителя, присоединяют к экстрактору ■ холодильник и пускают в него воду; проверяют плотность I соединения отдельных частей аппарата, прочность их прикрепления к штативу и после этого начинают нагрева- | ние.

Если извлекаемое вещество окрашено, то и раствор его окрашен и конец экстрагирования определяется тем моментом, когда жидкость в экстракторе станет бесцвет- I ной. После того как жидкость стечет еще два-три раза, j операцию кончают, обогрев бани прекращают и аппарату дают остыть. В тех случаях, когда экстрагируемое веще-J ство бесцветно, приходится обращать внимание на продол-j жительность операции, ведя ее достаточно долгое время и учитывая растворимость экстрагируемого вещества в ] растворителе.

Или же поступают так: стеклянную трубку подходящей! длины, имеющую узкий внутренний диаметр, опускают через холодильник в экстрактор. Пальцем закрывают верхний конец трубки и вынимают ее. Захваченную часть 1 раствора выливают на часовое стекло и выпаривают. Если ] после испарения растворителя на стекле не будет какого- i

•522

либо матового пятна или остатка, экстракцию можно считать законченной.

Окончание экстрагирования бесцветных веществ мож­но определять также путем измерения коэффициента преломления (рефракции) вначале чистого растворителя (перед началом перегонки), а затем экстракта. В конце экстрагирования коэффициент рефракции растворителя должен быть или близок или равен ко­эффициенту рефракции чистого раство­рителя.

При разборке аппарата прежде все­го закрывают воду, затем осторожно снимают холодильник; отнимают экст­рактор и дают стечь из него остаткам жидкости в колбу, для чего экстрактор наклоняют так, чтобы жидкость пере­ливалась через отводную трубку.

Вне. 438. Схема видоизмененного

аппарата

Сокслета: / — сифонная труб­ка; 2 — пальчиковый холодильник; 3 — па­роотводная трубка.

Содержимое колбы (экстракт) пере­ливают в другой, заранее приготов­ленный сосуд, колбу ополаскивают чистым растворителем и эту обмывоч­ную жидкость сливают с экстрактом. Чтобы выделить экстрагированное ве­щество, растворитель отгоняют. Эту операцию проводят обычным путем, т. е. монтируют прибор, состоящий из колбы Вюрца, холодильника и прием­ника. Колбу Вюрца нагревают на во­дяной бане, отгоняющийся раствори­тель собирают в приемник (раство­ритель можно использовать снова). Когда растворитель отогнан, выделен­ное вещество переводят из колбы Вюрца в приготовлен­ный сосуд.

Экстрагирование нужно проводить только чистым растворителем; никогда нельзя брать технический про­дукт, так как в этом случае экстрагируемое вещество не­избежно загрязнится.

523

При экстрагировании петролейным эфиром или бен­зином следует брать продукт, кипящий при какой-нибудь определенной, известной температуре или^же в извест­ных пределах ее. Например, петролейный эфир имеет

температуру кипения в пределах 30—50, 40—60, 50—70,' 60—80 °С.

Аппарат Сокслета усовершенствовался не один раз. Одна из удачных форм приведена на рис. 438. Это аппарат имеет удлиненный экстрактор, причем в среднюю откры­тую часть его вставлен холодильник особой конструкции (пальчиковый).

Трубки для ввода и вывода воды из холодильника по­ставлены почти вертикально, что представляет большое удобство при сборке батареи экстракторов. Конструкция холодильника имеет особенное значение. Пальчивовый холодильник удобен тем, что предотвращает потерю рас­творителя в результате испарения, что неизбежно проис­ходит при открытых шариковых холодильниках. Кроме того, охлаждение паров растворителя происходит более интенсивно, так как поверхность охлаждения велика и образована не только внутренней стенкой, охлаждаемой водой, но и наружной, охлаждаемой воздухом.

Холодильник может быть подвешен на звонковой проволоке или веревке, и при разборке аппарата его можно поднимать вверх. То же самое может быть проде­лано и при внесении патрона или образца, подлежащего экстракции, или же для введения растворителя.

Экстрактор вставляют в колбу от аппарата Сокслета (на рис. 439 не показана). В таком аппарате экстракция может проводиться по 3—4 дня без всякого наблюдения и без-добавления растворителя. С обычным аппаратом Сок­слета работать таким образом нельзя.

Было предложено много аппаратов для лабораторного экстрагирования твердых веществ. Большинство из них: являются или упрощенными, или усложненными вариа-1 циями аппарата Сокслета.