5.1. Экстракция.

Экстракцией называют процесс полного или частичного разделения смеси жидких или твердых веществ с помощью растворителя - экстрагента, в котором составные части смеси неодинаково растворимы. Для улучшения физических и экстракционных свойств экстрагента применяют инертные органические вещества - хлороформ, CCl₄, бензол - которые называются разбавителями (увеличивают скорость экстракции). Применяется для извлечения металлов из руд, различных соединений из растительного сырья, фенола из сточных вод, разделения смесей веществ и др. Варка супа и кофе, заваривание чая - простейшие примеры экстракции. Если экстракция из жидкой фазы, то обе жидкости должны быть не смешиваемыми; одна - полярная, другая - неполярная или слабо полярная, обычно это вода и нерастворимый в ней органический растворитель, например, бутиловый спирт. Основные стадии экстракции:

1) приведение фаз в соприкосновение и перемешивание

2) разделение или расслаивание фаз на экстракт (фаза, содержащая извлекаемый компонент) и рафинат.

3) выделение из экстракта продукта и регенерация экстрагента.

Экстракцией органическим растворителем можно выделять не только органические соединения, но и соли металлов, а особенно комплексные соединения ионов металлов.

Применяют три типа экстрагентов: нейтральные (вода, спирты, эфиры и другие органические жидкости), кислые для извлечения катионов металлов (кислоты, хелатообразующие дикетоны и др.) и основные для извлечения анионов (амины, их соли и др.). Ионы металлов связывают в незаряженный комплекс либо заряженные комплексы экстрагируют в виде ионных ассоциатов. Для того, чтобы комплекс хорошо растворялся в органическом растворителе, он должен быть гидрофобным, то-есть наружная часть комплекса должна быть неполярной и экранировать гидрофильную часть. Хелаты - такие комплексы, в которых катион металла как бы охватывается клешневидными группами реагента. Применяются также краун-эфиры и криптанды - молекулы, имеющие полости определенных размеров, содержащие несколько атомов О или N. Ион металла входит в полость и взаимодействует с этими атомами, благодаря чему прочно удерживается. Различные краун-эфиры отличаются размерами полости, что позволяет "сортировать" ионы металла по размеру, что обеспечивает селективность экстракции. Такие реагенты позволяют прочно связать ионы даже щелочных металлов (Na⁺), которые не связываются с большинством других комплексообразователей. Это открывает путь облагораживания засоленных почв.

Различия в константах стабильности комплексов позволяют разделять соли металлов. Например, применяя серосодержащие экстрагенты, можно экстрагировать Cu, Ni, Co, Pb, "не трогая" Mg, Al.

Для ускорения разделения фаз применяют центрифугирование. Однако часто скоростьопределяющей стадией процесса является стадия образования экстрагируемого комплекса. Для выделения продукта применяют дистилляцию или реэкстракцию (обработку органической фазы водой).

Количественно экстракцию характеризуют коэффициентом распределения

a=c₁/c₂

где с₁ и с₂ - равновесные концентрации извлекаемого компонента в несмешивающихся жидкостях (органической и воды).

Для оценки разделения двух веществ А (основного вещества) и В (примеси) используют коэффициент разделения

b=a₁/a₂,

где a₁ и a₂ - коэффициенты распределения основного вещества и примеси.

Если коэффициент распределения не очень велик, экстракцию проводят несколько раз. При этом каждый раз определенная доля вещества извлекается из водного раствора. Порции экстрагента затем объединяют и анализируют. Для примера приведем содержание экстрагируемого компонента в водном растворе, если коэффициент распределения равен 4.

Последовательность экстракции	До экстракции,%	После экстракции, %
1	100	20
2	20	4
3	4	0,8
4	0,8	0,16

Применение экстракции позволяет извлекать вещества из очень разбавленных растворов, и экстрагируемое вещество можно выделить в чистом виде. Известны способы экстракции большинства химических элементов и многих классов соединений. Изменение условий экстракции (рН, выбор анионов) позволяет разделять различные ионы друг от друга.