Экстракция

           Особое значение для структурных исследований имеет экстракция специфическими растворителями:

1) специфические  растворители содержат атом азота  или кислорода со свободной  электронной парой; эффект такой  электронной пары, однако, зависит  от ее участия в водородных  связях (например, в случае смеси  растворителей) или в мезомерных  эффектах;

2) как  правило, азотсодержащие соединения  более эффективные растворители, чем соответствующие кислородсодержащие  соединения;

3) эффективность  растворителя зависит от пространственных  факторов, поэтому наличие алкильных  радикалов является неблагоприятным. 
      

Условия экстракции вещества

      Извлечение металла в органическую фазу возможно только в том случае, если растворимость соединений этого металла в органическом растворителе выше, чем в воде. В реальных системах металл существует в виде разнообразных соединений. Следует учитывать, что в ходе экстракции могут образоваться формы, которых в исходном растворе не было. Поэтому прежде всего необходимо установить, в виде какого соединения экстрагируется металл и какова его растворимость. Растворимость любого соединения зависит от многих факторов: природы вещества, температуры и давления. Обычно химически подобные вещества лучше растворяются друг в друге, чем в веществах другой структуры. При этом подобие не следует понимать слишком узко, так как часто уже достаточно присутствия в молекулах одинаковых или сходных по поведению групп. Молекулы растворителя вступают с растворенными молекулами в энергетическое взаимодействие, в первую очередь типа электростатического, так как молекулы большинства растворителей обладают электрическими дипольными моментами.

     Одним из условий проведения экстракции является нейтрализация заряда. Заряженные соединения не могут переходить в органический растворитель. Присутствующие в растворе ионы металла необходимо перевести в незаряженный комплекс либо в ионный ассоциат с подходящим ионом противоположного заряда. Величина заряда иона играет существенную роль при экстракции ионных ассоциатов. В этом случае лучше всего извлекаются в органическую фазу однозарядные ионы, хуже - двух- и особенно трехзарядные. Кроме того, экстрагирующееся соединение должно быть гидрофобным и не содержать гидрофильных групп, например гидроксильных или карбоксильных. 
 
 
 
 
 
 
 
 

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

Основные  количественные характеристики процессов экстракции

     Несмотря на то что экстракция как метод разделения длительное время применяется в аналитической химии и химической технологии, теоретические основы этого метода долгое время оставались неизученными. В частности, долгое время оставались неизученными основные количественные характеристики экстракционных процессов, что было определенным препятствием для широкого внедрения экстракции в практику. Для расчета количества вещества, которое экстрагируется органическими растворителями, необходимо знать константу и коэффициент распределения, степень экстракции и т. д.

     М. Бертло и Ю. Юнгфлейш были первыми исследователями, которые в 1872 г. на основании экспериментальных данных показали, что отношение равновесных концентраций вещества, распределяющегося между двумя жидкими фазами, является постоянным. Это отношение термодинамическим путем было выведено В. Нернстом, который в 1891 г. сформулировал закон распределения.

     Согласно закону распределения, вещество, растворенное в двух несмешивающихся или ограниченно смешивающихся жидкостях, распределяется между ними в постоянном отношении. Это отношение для идеальных систем зависит только от температуры, природы вещества и не зависит от концентрации. Закон распределения справедлив лишь в том случае, если распределяемое вещество в обеих фазах находится в одной и той же форме.

    Константа распределения вещества. Постоянная величина, выражающая отношение концентраций распределяемого вещества, находящегося в обеих фазах (после наступления равновесия) в одной и той же форме, называется константой распределения:

P₀ = [A]₀ / [A]_B                 (1)

где Р  _о — константа распределения: [А] _о —концентрация вещества в фазе органического растворителя, моль/л; [А] _В — концентрация вещества в водной фазе, моль/л.

      Величина константы распределения зависит от природы распределяемого вещества, состава и свойств применяемого экстрагента, температуры, при которой производится экстракция. Эта константа не зависит от равновесных концентраций экстрагируемого вещества и объемов водной и неводной фаз.

     Коэффициент распределения. При расчетах константы распределения вещества по формуле (1) необходимо быть уверенным в том, что распределяемое вещество в обеих фазах находится в одинаковой форме (в одинаковом молекулярном состоянии). Однако во многих экстракционных системах не соблюдается указанное выше условие. В одной из жидких фаз могут происходить диссоциация, ассоциация, сольватация, гидролиз распределяемого вещества, образование комплексов и т. д. Для расчетов экстракционных равновесий в таких системах не принимают во внимание форму существования вещества в каждой фазе, а учитывают только отношение суммарных (аналитических) концентраций распределяемого вещества в обеих фазах.

     На основании определения суммарных концентраций можно рассчитать не константу, а коэффициент распределения данною вещества в применяемой системе растворителей (вода — органический растворитель). Коэффициент распределения — это отношение суммарной аналитической концентрации вещества в фазе органического растворителя к суммарной аналитической концентрации этого вещества в водной фазе (без учета того, в какой форме находится вещество в каждой фазе):

D = C₀ / C_B          (2)

где D —  коэффициент распределения; С  _о — суммарная аналитическая концентрация вещества в фазе органического растворителя, моль/л; С _В — суммарная аналитическая концентрация вещества в водной фазе, моль/л.

     Степень экстракции. Степень экстракции (процент экстракции) — это отношение количества экстрагированного вещества к общему (начальному) количеству этого вещества в водном растворе:

R = A  100 / N        (3)

где R —  степень экстракции вещества, %; А — количество вещества, которое экстрагировалось органическим растворителем; N — общее (начальное) количество вещества в водном растворе.  
 
 
 
 
 
 
 
 

Классификация экстракционных процессов. 

     Экстракционные системы весьма разнообразны. Рассматривается классификация экстрагирующихся соединений по типу соединения, переходящего в органическую фазу. Классификацию по указанному признаку предложил Золотов Ю.А.:

- экстракции неполярных и малополярных веществ,

- экстракции комплексных металлокислот,

- экстракции внутрикомплексных соединений (ВКС).

     ВКС образуются при взаимодействии катонов металлов с органическими

реагентами, одна из активных групп которого должна содержать подвижный

атом  водорода, замещаемый при комплексообразовании на металл, вторая

(третья  и т .д .) может быть тоже кислотной или чаще, основной .

     На экстракцию ВКС влияют такие факторы и параметры , как кислотность водной фазы, концентрация реагента , константы распределения и константы диссоциации реагента, константы устойчивости и константы распределения комплекса, конкурирующие реакции в водной фазе , присутствие солей -электролитов , концентрация элемента , температура , растворитель .

     Удобной является классификация, учитывающая тип соединения, в виде которого экстрагируемый элемент переходит в органическую фазу. При этом все соединения могут быть разделены на две большие категории — неионизированные соединения и ионные ассоциаты. Эти соединения отличаются не только химическим составом, но также механизмом их образования и перехода в слой органического разбавителя. Одни из них заранее существуют или преимущественно образуются в водном растворе, поэтому для их извлечения используют, как правило, чистые разбавители. Другие, наоборот, образуются в процессе самой экстракции за счет взаимодействия находящегося в органической фазе реагента с катионами металлов, содержащихся в водном растворе.

   Рассмотренная классификация продуктов экстракции позволяет выделить определенные группы экстрагентов и растворителей, близких  по электронному строению и характеру  электронного взаимодействия в экстракционных системах. Согласно этой классификации  экстрагенты можно разделить  на три группы:

   1. Углеводороды: алифатические насыщенные (гексан, октан), алифатические ненасыщенные (пентен, гексен), ароматические (бензол, толуол).

   2. Соединения, в молекулах которых  содержится одна функциональная  группа атомов: спирты, простые эфиры,  сложные эфиры, кетоны, нитросоединения, галогенпроизводные углеводородов (хлороформ, четыреххлористый углерод, хлорбензол), серосодержащие соединения (сероуглерод, тиофен).

   3. Соединения, в которых содержится  более одной функциональной группы атомов: диэтилдитиокарбаматы, 8-оксихинолин и др.