Экстракция

Министерство  транспорта Российской Федерации

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Государственное образовательное учреждение высшего  профессионального образования

Самарский государственный университет путей  сообщения 
 
 
 
 

Кафедра  «Общая и инженерная химия» 
 
 
 
 

Курсовая  работа

«Экстракция» 
 

                                    Выполнила:

                                                     студентка 992 группы

                                             Савдиерова Н.Ю.

                                   Проверила:

                                        Сеницкая Г.Б.,

                                        Халикова А.В. 
 
 
 
 
 

Самара, 2010

Содержание 

1. Введение………………………………………………………….3

 

2. Общая характеристика экстракционного  метода разделения и  концентрирования………………………………4

 

3. Теоретические основы экстракции и  типы экстракционных систем. ……………………………………...5

 

4. Условия экстракции вещества ……………………………….8

 

5. Экстракция  как химическая реакция (основные законы и количественные характеристики)…………………………..9

 

6. Классификация экстракционных процессов.………………11

 

7. Возможности практического использования экстракции.…………………………………………………….13

 

8. Заключение……………………………………………………..14

 

9. Литература…………………………………………….............15

 

10. Задача……………………………………………………...16

Введение.

     Проблема разделения смесей и выделения в чистом виде индивидуальных химических соединений имеет огромное значение. Интерес к этой проблеме особенно возрос в связи с потребностями металлургии цветных и редких металлов, полупроводниковой техники и атомной промышленности. Развитие методов разделения и очистки веществ стимулируется потребностями нефтяной, химической и фармацевтической промышленности. Одним из перспективных методов разделения смесей является экстракция. Давно известно, что многие вещества распределяются между двумя несмешивающимися жидкостями, причем характер разделения в известной степени зависит от растворимости веществ в индивидуальных фазах. Использование этого явления для разделения и очистки веществ стало одним из основных методов в органической химии. Долгое время в области неорганической химии экстракцией интересовались мало. Поэтому экстракцию принято считать относительно молодым методом. Это в значительной мере оправданно, особенно если принять во внимание, что наиболее мощный толчок развитие экстракции получило только в середине нынешнего столетия в связи с работами в области ядерной технологии.

   Значение  экстракционных методов неизменно  возрастает в технологии цветных  и рассеянных элементов в связи  с вовлечением в переработку бедного сырья. Другой важной областью применения экстракции является переработка вторичного сырья, особенно неметаллургических отраслей. Экстракционные методы являются основными методами переработки сырья в атомной промышленности. Химия экстракции неорганических веществ чрезвычайно богата и разнообразна. Это обусловлено широким набором неводных сред (разбавителей) и экстрагентов различных принципов действия (координационного, ионнообменного, синергического), в значительной степени определяющихся химическим состоянием металлов в водных растворах. С другой стороны, закономерности поведения металлов в конденсированных средах могут быть поняты на основе взаимосвязанного рассмотрения электронного строения реагирующих веществ, продуктов реакции и их взаимодействия со средой.

   Большой комплекс задач, составляющих научную  основу современной теории экстракции, был поставлен и решался учеными  Института неорганической химии  под руководством академика А.В. Николаева.  
 
 
 
 
 

Общая характеристика экстракционного  метода разделения и  концентрирования.

   
     Термин «Экстракция» происходит от латинского слова «extraho», что в переводе означает «извлекаю». Экстракция является научной методикой, используемой в разных областях, и смысл ее заключается в том, что ученые, используя лабораторный экстрактор, разделяют и очищают от примесей различные вещества, в том числе сухие смеси, переводят составы из одной фазы в другую, используя для этого подходящий растворитель-экстрагент.

 
     Для того чтобы извлечь из раствора компоненты, ученые добавляют в экстрактор растворитель, который не смешивается с раствором, но в котором вещество растворяется лучше, чем в первом растворителе. Экстракция может быть как разовой – однократной или многократной, так и непрерывной - тогда это называется перколяция.  

      Самый простой способ экстракции из жидкого вещества – это однократная или многократная промывка экстрагентом в делительной воронке экстрактора. Делительная воронка – это сосуд с пробкой и краном, предназначенным для слива жидкости. Для непрерывной экстракции нужно купить экстрактор специального назначения или перколятор.  
   

      Если необходимо извлечь одно вещество или смесь веществ и сухого состава, то используется уже непрерывная экстракция. Также в лабораториях, которые специализируются на химическом синтезе, экстракцию используют для выделения чистого вещества из всей смеси или удаления одного из продуктов реакции в ходе синтеза.  

     Основные достоинства метода — высокая избирательность и чистота разделения, возможность работы, как с большими, так и с самыми малыми концентрациями веществ, отсутствие загрязнения продуктов, легкость технологического оформления, возможность осуществления непрерывности процесса, высокая производительность. 
 
 
 
 
 
 

Теоретические основы экстракции и  типы экстракционных систем. 

Теоретические основы экстракции

      Главной характеристикой любого экстракционного процесса, является коэффициент распределения (D). Коэффициент распределения определяется отношением концентрации экстрагирующегося вещества в органической фазе к концентрации вещества в водной фазе после того, как наступило равновесие, т.е.

      Для того чтобы понять, какая часть вещества перешла в органическую фазу, следует пользоваться другой характеристикой - коэффициентом извлечения (α), который является той долей вещества, что перешла в органическую фазу. Существует связь между коэффициентом распределения и коэффициентом извлечения:

где V_водн - объем водной фазы;  
       V_орг - объем органической фазы.

     Из формулы видно, что чем больше объем органической фазы, тем больше коэффициент извлечения, т.е. тем больше вещества переходит в органическую фазу. Коэффициент извлечения является важным аналитическим параметром, так как всегда важно знать при разработке аналитической методики полноту извлечения определяемого вещества.

     В экстракции существует золотое правило, которое гласит: если нельзя полно извлечь вещество за одну операцию, то это можно сделать гораздо эффективнее несколькими последовательными процедурами с меньшими суммарными затратами экстрагента.

     Допустим, что мы используем экстракционную систему со следующими параметрами: D=4,Vводн=1мл, Vорг=1мл. Несложно рассчитать коэффициент извлечения. Он будет равен 0,8. Показатель извлечения очевидно мал. Для того чтобы хотя бы 99% вещества перешло в органическую фазу надо взять не 1 мл органики, а 25 мл. Подобного результата можно достичь, если провести 3-хкратную экстракцию, используя каждый раз свежую порцию экстрагента объемом 1 мл. Коэффициент суммарного извлечения (α общ) такой процедуры можно рассчитать по формуле: 

α_общ = α(1+(1-α)+(1-α)² +…+(1-α)^n-1 )                   (3)

где n - число экстракционных процедур.

      Для нашего случая α_общ = 0,992, так как α_общ = 0,8(1+(1-0,8)+(1-0,8)²).  
     Таким образом, вместо 25 мл мы использовали 3мл.

     Следует обратить внимание на то, что употребление меньших объемов экстрагента предпочтительнее, так как концентрация анализируемого вещества в экстрагенте получается выше.

     Говоря о коэффициенте распределения (D), как о константе, характеризующей свойства экстракционной системы, необходимо сделать важную оговорку. Дело в том, что коэффициент распределения постоянен только в том случае, если концентрация экстрагента существенно превосходит концентрацию экстрагируемого вещества, потому что коэффициент распределения является частным случаем общеизвестной термодинамической константы равновесия. Рассмотрим общий случай, когда исследуемое вещество A образует соединение с несколькими молекулам экстрагента (S) в органической фазе:

     Константа равновесия соединения будет иметь следующий вид:

     Если пользоваться понятием коэффициента распределения, то

     Из этих формул видно, что коэффициент распределения (D) будет постоянен только в том случае, если расход экстрагента на образование соединения [AS^m] будет исчезающе мал.

     На основании данных о коэффициенте распределения можно получить сведения о координации экстрагирующегося вещества с молекулами экстрагента. Для этого определяют коэффициенты распределения при различных концентрациях экстрагента. Это следует из формулы (6), так как

Типы  экстракционных процессов

 

      Наиболее отчетливым является группирование экстракционных процессов в три основные группы: 
      Экстракция нейтральными низкокипящими растворителями. Многие авторы называют этот тип экстракции "неспецифической" или "необусловленной", так как при этом экстрагируется небольшая часть органической массы углей. Извлекаемый продукт не отражает структуру основной органической массы. Извлекаются относительно небольшие, связанные дисперсионными силами, молекулы. Температура экстракции обычно ниже 100 °С. 
      Экстракция специфическими растворителями. Позволяет извлекать от 10-15 до 40% угольной массы при температурах ниже 200°С. При этом разрушаются более прочные, чем дисперсионные, связи, без расщепления ковалентных связей. Применяемые растворители обычно сильные нуклеофилы, обладающие электрон-донорными свойствами. 
      Деструктивная экстракция. Осуществляется при температурах выше 200° С. Имеет место расщепление слабых ковалентных связей, сопровождаемое (в зависимости от растворителя) диспропорционированием водорода угля или переносом водорода от растворителя к углю. Очевидно, в этом случае в экстракте содержатся и продукты деструкции макромолекул углей.