Teoria ekstrakcji.
"Ekstrakcja" odnosi się do przenoszenia związków z ciała stałego lub cieczy do innego rozpuszczalnika lub fazy. Kiedy torebka herbaty jest dodawana do gorącej wody, związki odpowiedzialne za smak i kolor herbaty są ekstrahowane z fusów do wody. Kawa bezkofeinowa jest wytwarzana przy użyciu rozpuszczalników lub dwutlenku węgla w stanie nadkrytycznym do ekstrakcji kofeiny z ziaren kawy. W laboratorium chemicznym najczęściej stosuje się ekstrakcję ciecz-ciecz, proces zachodzący w lejku rozdzielającym. Roztwór zawierający rozpuszczone składniki jest umieszczany w lejku i dodawany jest niemieszający się rozpuszczalnik, w wyniku czego powstają dwie warstwy, które są wstrząsane razem. Najczęściej jedna warstwa jest wodna, a druga jest rozpuszczalnikiem organicznym. Składniki są "ekstrahowane", gdy przechodzą z jednej warstwy do drugiej. Kształt lejka rozdzielającego pozwala na skuteczne odwadnianie i oddzielanie dwóch warstw.
Rys. 1 Schemat ekstrakcji
Związki przemieszczają się z jednej cieczy do drugiej w zależności od ich względnej rozpuszczalności w każdej cieczy. Szybkim przewodnikiem po rozpuszczalności jest zasada "podobne rozpuszcza się podobne", co oznacza, że związki niepolarne powinny być łatwo ekstrahowane do rozpuszczalników niepolarnych (i odwrotnie). Związki odpowiedzialne za smak i kolor herbaty muszą być polarne, jeśli są łatwo ekstrahowane do gorącej wody. Kiedy pozwala się na równowagę między dwiema cieczami w lejku rozdzielającym, większość związku często kończy się w warstwie, która jest lepiej rozpuszczalna.
Rys.2
Procedury ekstrakcji krok po kroku.
Pojedyncza ekstrakcja.
Zdjęcia w tej sekcji pokazują pojedynczą ekstrakcję czerwieni metylowej (kolorowy związek, rys. 3) z roztworu wodnego (dolna warstwa) do 25 ml octanu etylu (górna warstwa). Roztwór wodny miał pierwotnie różowy kolor, ponieważ czerwień metylowa wydaje się czerwona w roztworze kwaśnym (roztwór wodny sporządzono z 50 ml wody, 5 kropli 0,1MHCl i 5 kropli 1% roztworu wskaźnika czerwieni metylowej). Czerwień metylowa ma duży współczynnik podziału i w tym procesie jest ekstrahowana z warstwy wodnej do octanu etylu.
Postęp ekstrakcji czerwieni metylowej (barwnego związku) z kwaśnej warstwy wodnej (na dole) do warstwy organicznej (na górze). Odwracanie odbywało się powoli w celu zaobserwowania stopniowej ekstrakcji. Nawet przy delikatnym mieszaniu czerwień metylowa szybko się ekstrahuje.
Przygotowanie konfiguracji (dla pojedynczej ekstrakcji)
1. Uzyskać lejek rozdzielający (rys. 4 a).- a) Jeśli lejek separacyjny jest wyposażony w kurek teflonowy, zmontuj go ponownie, jeśli został rozebrany do suszenia, umieszczając części w odpowiedniej kolejności (rys. 4 b). Upewnij się, że kurek teflonowy jest umiarkowanie dokręcony, aby nadal można go było łatwo obracać, ale nie jest tak luźny, że ciecz może wyciekać wokół złącza.
- b) W przypadku korzystania ze szklanego korka (rys. 4 c), prawdopodobnie nie wymaga on dalszego przygotowania. Należy zastosować bardzo cienką warstwę smaru, aby uszczelnić korek i zapobiec zamarzaniu. Jeśli dostępne są zarówno szklane, jak i teflonowe korki, lepszym wyborem jest teflon, ponieważ zawsze istnieje możliwość, że rozpuszczalnik może rozpuścić smar stosowany w szklanych korkach i zanieczyścić próbkę.
- c) Należy również zaopatrzyć się w korek (teflonowy lub ze szlifowanego szkła), który dobrze pasuje do górnego złącza lejka (rys. 4 a).
2. Umieść lejek separacyjny w zacisku pierścieniowym przymocowanym do stojaka pierścieniowego lub kratownicy. Lejki są łatwe do złamania, więc zamocuj lejek w metalowym zacisku za pomocą kawałków rozciętej gumy lub plastikowej rurki (rys. 4 d).
Dodaj roztwory (dla pojedynczej ekstrakcji)
3. Przed wlaniem czegokolwiek do lejka rozdzielającego należy upewnić się, że kurek znajduje się w pozycji "zamkniętej", w której kurek jest ustawiony poziomo (rys. 5 a). Jako zabezpieczenie przed awarią, przed wlaniem należy zawsze umieścić kolbę Erlenmeyera pod lejkiem rozdzielającym (rys. 5 b). Umożliwi to przechwycenie cieczy w razie przypadkowego pozostawienia otwartego kurka lub poluzowania kurka i niezamierzonego wycieku cieczy.
4. Używając lejka, wlej ciecz przeznaczoną do ekstrakcji do lejka rozdzielającego (rys. 5 b). Lejek rozdzielający nigdy nie powinien być używany z gorącą lub ciepłą cieczą. Szlifowane szklane złącze na szczycie lejka rozdzielającego jest bardziej podatne na przywieranie do korka, jeśli w pewnym momencie w złączu znajdowała się ciecz. Wlewanie płynu do lejka rozdzielającego za pomocą lejka z krótkim trzonkiem pozwala uniknąć zamoczenia złącza, dzięki czemu jest mniej prawdopodobne, że zamarznie ono podczas mieszania.
3. Przed wlaniem czegokolwiek do lejka rozdzielającego należy upewnić się, że kurek znajduje się w pozycji "zamkniętej", w której kurek jest ustawiony poziomo (rys. 5 a). Jako zabezpieczenie przed awarią, przed wlaniem należy zawsze umieścić kolbę Erlenmeyera pod lejkiem rozdzielającym (rys. 5 b). Umożliwi to przechwycenie cieczy w razie przypadkowego pozostawienia otwartego kurka lub poluzowania kurka i niezamierzonego wycieku cieczy.
4. Używając lejka, wlej ciecz przeznaczoną do ekstrakcji do lejka rozdzielającego (rys. 5 b). Lejek rozdzielający nigdy nie powinien być używany z gorącą lub ciepłą cieczą. Szlifowane szklane złącze na szczycie lejka rozdzielającego jest bardziej podatne na przywieranie do korka, jeśli w pewnym momencie w złączu znajdowała się ciecz. Wlewanie płynu do lejka rozdzielającego za pomocą lejka z krótkim trzonkiem pozwala uniknąć zamoczenia złącza, dzięki czemu jest mniej prawdopodobne, że zamarznie ono podczas mieszania.
Wlej pewną ilość rozpuszczalnika ekstrakcyjnego do lejka rozdzielającego, zgodnie z procedurą (rys. 5 c). Nie jest konieczne stosowanie dokładnych ilości rozpuszczalnika do ekstrakcji, a objętości można mierzyć w cylindrze miarowym. Jeśli procedura wymaga 20 ml rozpuszczalnika, dopuszczalne jest użycie 20-25 ml za każdym razem.
Wymieszać roztwory (dla pojedynczej ekstrakcji)
6. Umieścić korek na lejku i trzymać lejek w taki sposób, aby palce jednej ręki bezpiecznie zakrywały korek, podczas gdy druga ręka chwyta dno lejka (rys. 6 a).
7. Delikatnie odwróć lejek (rys. 6 b) i lekko zawiruj mieszaninę. Chociaż nierzadko zdarza się, że po odwróceniu trochę płynu wkrada się do złącza szlifowanego szkła, powinno to być minimalne. Jeśli ciecz kapie na palce lub rękawiczki podczas odwracania lejka, prawdopodobnie korek ma niewłaściwy rozmiar.
Wymieszać roztwory (dla pojedynczej ekstrakcji)
6. Umieścić korek na lejku i trzymać lejek w taki sposób, aby palce jednej ręki bezpiecznie zakrywały korek, podczas gdy druga ręka chwyta dno lejka (rys. 6 a).
7. Delikatnie odwróć lejek (rys. 6 b) i lekko zawiruj mieszaninę. Chociaż nierzadko zdarza się, że po odwróceniu trochę płynu wkrada się do złącza szlifowanego szkła, powinno to być minimalne. Jeśli ciecz kapie na palce lub rękawiczki podczas odwracania lejka, prawdopodobnie korek ma niewłaściwy rozmiar.
8. Ciśnienie może narastać wewnątrz lejka rozdzielającego podczas mieszania roztworów, dlatego natychmiast po zawirowaniu, gdy lejek jest nadal odwrócony, należy "odpowietrzyć" lejek, otwierając na chwilę kurek, aby umożliwić uwolnienie ciśnienia (rys. 6 c). Ciśnienie wzrasta w lejku, gdy rozpuszczalnik odparowuje do przestrzeni nadpowierzchniowej i dodaje dodatkowe opary do początkowego ciśnienia powietrza ∼1 atmosfery w lejku. W przypadku wysoce lotnych rozpuszczalników (takich jak eter dietylowy), po odpowietrzeniu można usłyszeć wyraźny "szum", a niewielkie ilości cieczy mogą nawet wytrysnąć z kurka. Jeśli ciecz wypłynie z zaworu odcinającego, należy pozwolić jej spłynąć z powrotem do lejka. Hałas związany z odpowietrzaniem zwykle ustaje po drugiej lub trzeciej inwersji, ponieważ przestrzeń nadstudzienna zostaje nasycona oparami rozpuszczalnika, a ciśnienia wewnątrz i na zewnątrz lejka są wyrównane.
Uwaga dotycząca bezpieczeństwa: Nigdy nie kieruj zaworu odcinającego w stronę osoby odpowietrzającej, ponieważ może się zdarzyć, że ciecz rozpryśnie się na tę osobę.
9. Zamknij kurek i mieszaj roztwory nieco energiczniej, okresowo zatrzymując się w celu odpowietrzenia systemu. Istnieją różne opinie na temat tego, jak energicznie i jak długo należy mieszać roztwory w rozdzielaczach. Zgodnie z ogólnymi wskazówkami, łagodne mieszanie przez 10-20 sekund powinno być wystarczające. W przypadku niektórych roztworów (np. dichlorometanu) należy uważać, aby nie wstrząsać zbyt energicznie, ponieważ roztwory te często tworzą emulsje (w których interfejs między roztworami nie jest klarowny). W przypadku roztworów podatnych na powstawanie emulsji, lejek powinien być delikatnie wstrząsany przez minutę.
10. Umieść lejek separacyjny pionowo w zacisku pierścieniowym, aby umożliwić pełne rozdzielenie się warstw. Interfejs między warstwami powinien ustabilizować się dość szybko, często w ciągu około 10 sekund. Jeśli interfejs jest zmętniony lub nie jest dobrze zdefiniowany (utworzyła się emulsja), zobacz sekcję rozwiązywania problemów, aby uzyskać wskazówki.
Oddzielanie warstw (dla pojedynczej ekstrakcji)
11. Ciecz nie spłynie dobrze z lejka rozdzielającego, jeśli zatyczka pozostaje na nim, ponieważ powietrze nie może dostać się do lejka, aby zastąpić wypartą ciecz. Jeśli ciecz spłynie z lejka bez zastąpienia jej taką samą objętością powietrza, w lejku powstanie podciśnienie. Dlatego przed spuszczeniem cieczy z lejka rozdzielającego należy zdjąć zatyczkę (rys. 7 a).
12. Spuść większość dolnej warstwy do czystej kolby Erlenmeyera, ustawiając zacisk pierścieniowy tak, aby końcówka lejka separacyjnego znajdowała się w kolbie Erlenmeyera, aby zapobiec rozpryskiwaniu (ryc. 7 b). Zatrzymaj opróżnianie, gdy interfejs znajdzie się w odległości 1 cm od dna zaworu odcinającego.
13. Delikatnie obracaj lejkiem, aby usunąć wszelkie kropelki przylegające do szkła (rys. 7 c). Do strącenia uporczywie przylegających kropelek można użyć szklanego pręta mieszającego.
14. Następnie opróżnij dolną warstwę, zatrzymując się, gdy interfejs wejdzie do komory zaworu odcinającego (rys. 7 d). Oznacz kolbę Erlenmeyera (np. "warstwa dolna").
Uwaga dotycząca bezpieczeństwa: Nigdy nie kieruj zaworu odcinającego w stronę osoby odpowietrzającej, ponieważ może się zdarzyć, że ciecz rozpryśnie się na tę osobę.
9. Zamknij kurek i mieszaj roztwory nieco energiczniej, okresowo zatrzymując się w celu odpowietrzenia systemu. Istnieją różne opinie na temat tego, jak energicznie i jak długo należy mieszać roztwory w rozdzielaczach. Zgodnie z ogólnymi wskazówkami, łagodne mieszanie przez 10-20 sekund powinno być wystarczające. W przypadku niektórych roztworów (np. dichlorometanu) należy uważać, aby nie wstrząsać zbyt energicznie, ponieważ roztwory te często tworzą emulsje (w których interfejs między roztworami nie jest klarowny). W przypadku roztworów podatnych na powstawanie emulsji, lejek powinien być delikatnie wstrząsany przez minutę.
10. Umieść lejek separacyjny pionowo w zacisku pierścieniowym, aby umożliwić pełne rozdzielenie się warstw. Interfejs między warstwami powinien ustabilizować się dość szybko, często w ciągu około 10 sekund. Jeśli interfejs jest zmętniony lub nie jest dobrze zdefiniowany (utworzyła się emulsja), zobacz sekcję rozwiązywania problemów, aby uzyskać wskazówki.
Oddzielanie warstw (dla pojedynczej ekstrakcji)
11. Ciecz nie spłynie dobrze z lejka rozdzielającego, jeśli zatyczka pozostaje na nim, ponieważ powietrze nie może dostać się do lejka, aby zastąpić wypartą ciecz. Jeśli ciecz spłynie z lejka bez zastąpienia jej taką samą objętością powietrza, w lejku powstanie podciśnienie. Dlatego przed spuszczeniem cieczy z lejka rozdzielającego należy zdjąć zatyczkę (rys. 7 a).
12. Spuść większość dolnej warstwy do czystej kolby Erlenmeyera, ustawiając zacisk pierścieniowy tak, aby końcówka lejka separacyjnego znajdowała się w kolbie Erlenmeyera, aby zapobiec rozpryskiwaniu (ryc. 7 b). Zatrzymaj opróżnianie, gdy interfejs znajdzie się w odległości 1 cm od dna zaworu odcinającego.
13. Delikatnie obracaj lejkiem, aby usunąć wszelkie kropelki przylegające do szkła (rys. 7 c). Do strącenia uporczywie przylegających kropelek można użyć szklanego pręta mieszającego.
14. Następnie opróżnij dolną warstwę, zatrzymując się, gdy interfejs wejdzie do komory zaworu odcinającego (rys. 7 d). Oznacz kolbę Erlenmeyera (np. "warstwa dolna").
Rys.
a) Zdejmowanie korka przed opróżnieniem lejka, b) Opróżnianie do interfejsu, c) Przylegające krople (przy użyciu innego systemu), d) Zatrzymanie, gdy interfejs znajduje się w kurku.15. Wylej górną warstwę z górnej części lejka rozdzielającego do innej czystej kolby Erlenmeyera (rys. 8 a), pamiętając o ponownym oznaczeniu tej kolby (rys. 8 b). Prawidłową techniką jest spuszczanie dolnej warstwy przez kurek i wylewanie górnej warstwy z górnej części lejka. Ta metoda minimalizuje ponowne mieszanie roztworów, ponieważ tylko dolna warstwa dotyka trzonu lejka.
16. Nigdy nie wyrzucaj żadnych płynów z ekstrakcji , dopóki nie będziesz absolutnie pewien, że masz pożądany związek. Niepożądane warstwy można odpowiednio usunąć, gdy pożądany związek jest w rękach (np. po usunięciu rozpuszczalnika przez wyparkę obrotową).
Błędy popełnione podczas ekstrakcji (np. kontynuowanie z niewłaściwą warstwą) można rozwiązać, o ile roztwory nie zostały umieszczone w pojemniku na odpady! Warstwy należy również zachować do momentu odparowania, ponieważ pożądany związek może nie być dobrze rozpuszczalny w użytym rozpuszczalniku. Jeśli związek nie wyekstrahował się w jednym rozpuszczalniku, można później wypróbować inny rozpuszczalnik, ponownie tylko wtedy, gdy warstwy nie zostały jeszcze wyrzucone.
Czyszczenie (dla pojedynczej ekstrakcji)
Aby wyczyścić lejek separacyjny, należy najpierw przepłukać go acetonem w pojemniku na odpady. Następnie umyj lejek wodą z mydłem na blacie stołu. Zdemontować kurek teflonowy (jeśli jest używany). Po przepłukaniu wodą destylowaną, pozwól częściom wyschnąć oddzielnie w szafce (Rys. 8 c).
Błędy popełnione podczas ekstrakcji (np. kontynuowanie z niewłaściwą warstwą) można rozwiązać, o ile roztwory nie zostały umieszczone w pojemniku na odpady! Warstwy należy również zachować do momentu odparowania, ponieważ pożądany związek może nie być dobrze rozpuszczalny w użytym rozpuszczalniku. Jeśli związek nie wyekstrahował się w jednym rozpuszczalniku, można później wypróbować inny rozpuszczalnik, ponownie tylko wtedy, gdy warstwy nie zostały jeszcze wyrzucone.
Czyszczenie (dla pojedynczej ekstrakcji)
Aby wyczyścić lejek separacyjny, należy najpierw przepłukać go acetonem w pojemniku na odpady. Następnie umyj lejek wodą z mydłem na blacie stołu. Zdemontować kurek teflonowy (jeśli jest używany). Po przepłukaniu wodą destylowaną, pozwól częściom wyschnąć oddzielnie w szafce (Rys. 8 c).
Ekstrakcja wielokrotna.
W tej sekcji znajdują się instrukcje krok po kroku, jak ekstrahować roztwór wodny rozpuszczalnikiem organicznym, który jest mniej gęsty niż woda (warstwa organiczna będzie na wierzchu). Jako przykład, instrukcje dotyczą trzykrotnej ekstrakcji roztworu wodnego przy użyciu 25 ml eteru dietylowego za każdym razem (3×25 ml eteru dietylowego). Podsumowanie proceduralne pierwszych dwóch ekstrakcji znajduje się na Rys.9 Dwie ekstrakcje, gdy warstwa organiczna znajduje się na wierzchu.
. 9 Dwie ekstrakcje, gdy warstwa organiczna znajduje się na górze.
Ekstrakcja #1
1. Wykonaj pojedynczą ekstrakcję przy użyciu około 25 ml eteru dietylowego (dokładna ilość nie jest konieczna), jak opisano wcześniej, upewniając się, że każda warstwa jest odpowiednio oznaczona (np. "górna warstwa organiczna" i "dolna warstwa wodna").
Ekstrakcja #2
2. Umieść warstwę wodną z powrotem w lejku rozdzielającym. Nie ma potrzeby płukania lejka pomiędzy ekstrakcjami.
3. Dodaj świeżą porcję 25 ml eteru dietylowego do rozdzielacza. Zatkać lejek, odwrócić i wstrząsnąć z odpowietrzaniem, a następnie pozwolić na rozdzielenie się warstw.
Na tym etapie w rozdzielaczu powinny znajdować się dwie warstwy. Jeśli nie ma dwóch warstw, prawdopodobnie do lejka dodano niewłaściwą warstwę w kroku 2 (częsty błąd). Jednym ze sposobów sprawdzenia, czy był to błąd, jest dodanie odrobiny wody z butelki z rozpylaczem. Jeśli warstwa zwrócona do lejka rozdzielającego jest warstwą organiczną (nieprawidłową), woda z butelki z tryskawką nie zmiesza się z roztworem i zamiast tego opadnie w postaci kropelek na dno. Jeśli warstwa organiczna (nieprawidłowa) została przypadkowo zwrócona do lejka rozdzielającego, nic się nie stało, ponieważ warstwa organiczna została po prostu rozcieńczona. Wlej ciecz z powrotem do kolby przeznaczonej na warstwę organiczną i zamiast tego dodaj roztwór wodny do lejka.
4. Spuścić dolną warstwę wodną do kolby Erlenmeyera: dopuszczalne jest użycie tej samej kolby, która była używana do warstwy wodnej w pierwszej ekstrakcji (która mogła być oznaczona jako "dolna warstwa wodna").
5. Ponieważ najczęściej łączy się warstwy organiczne w wielu ekstrakcjach, górną warstwę organiczną można wylać z lejka rozdzielającego do tej samej kolby, która była używana do warstwy organicznej w pierwszej ekstrakcji (która mogła być oznaczona jako "górna warstwa organiczna"). W kolbie tej powinno znajdować się około 50 ml eteru dietylowego z dwóch ekstrakcji.
Ekstrakcja nr 3
6. Powtórz ekstrakcję po raz trzeci, dodając warstwę wodną z drugiej ekstrakcji do lejka rozdzielającego, a następnie kolejną świeżą porcję 25 ml eteru dietylowego. Zakorkować lejek, odwrócić i wstrząsnąć z odpowietrzaniem, a następnie pozwolić na rozdzielenie się warstw.
7. Spuścić warstwę wodną do odpowiedniej kolby i ponownie wlać górną warstwę do kolby z warstwą organiczną, gdzie powinno znajdować się około 75 ml eteru dietylowego z trzech ekstrakcji.
1. Wykonaj pojedynczą ekstrakcję przy użyciu około 25 ml eteru dietylowego (dokładna ilość nie jest konieczna), jak opisano wcześniej, upewniając się, że każda warstwa jest odpowiednio oznaczona (np. "górna warstwa organiczna" i "dolna warstwa wodna").
Ekstrakcja #2
2. Umieść warstwę wodną z powrotem w lejku rozdzielającym. Nie ma potrzeby płukania lejka pomiędzy ekstrakcjami.
3. Dodaj świeżą porcję 25 ml eteru dietylowego do rozdzielacza. Zatkać lejek, odwrócić i wstrząsnąć z odpowietrzaniem, a następnie pozwolić na rozdzielenie się warstw.
Na tym etapie w rozdzielaczu powinny znajdować się dwie warstwy. Jeśli nie ma dwóch warstw, prawdopodobnie do lejka dodano niewłaściwą warstwę w kroku 2 (częsty błąd). Jednym ze sposobów sprawdzenia, czy był to błąd, jest dodanie odrobiny wody z butelki z rozpylaczem. Jeśli warstwa zwrócona do lejka rozdzielającego jest warstwą organiczną (nieprawidłową), woda z butelki z tryskawką nie zmiesza się z roztworem i zamiast tego opadnie w postaci kropelek na dno. Jeśli warstwa organiczna (nieprawidłowa) została przypadkowo zwrócona do lejka rozdzielającego, nic się nie stało, ponieważ warstwa organiczna została po prostu rozcieńczona. Wlej ciecz z powrotem do kolby przeznaczonej na warstwę organiczną i zamiast tego dodaj roztwór wodny do lejka.
4. Spuścić dolną warstwę wodną do kolby Erlenmeyera: dopuszczalne jest użycie tej samej kolby, która była używana do warstwy wodnej w pierwszej ekstrakcji (która mogła być oznaczona jako "dolna warstwa wodna").
5. Ponieważ najczęściej łączy się warstwy organiczne w wielu ekstrakcjach, górną warstwę organiczną można wylać z lejka rozdzielającego do tej samej kolby, która była używana do warstwy organicznej w pierwszej ekstrakcji (która mogła być oznaczona jako "górna warstwa organiczna"). W kolbie tej powinno znajdować się około 50 ml eteru dietylowego z dwóch ekstrakcji.
Ekstrakcja nr 3
6. Powtórz ekstrakcję po raz trzeci, dodając warstwę wodną z drugiej ekstrakcji do lejka rozdzielającego, a następnie kolejną świeżą porcję 25 ml eteru dietylowego. Zakorkować lejek, odwrócić i wstrząsnąć z odpowietrzaniem, a następnie pozwolić na rozdzielenie się warstw.
7. Spuścić warstwę wodną do odpowiedniej kolby i ponownie wlać górną warstwę do kolby z warstwą organiczną, gdzie powinno znajdować się około 75 ml eteru dietylowego z trzech ekstrakcji.
Rozwiązywanie problemów.
Ta sekcja opisuje typowe problemy i rozwiązania podczas ekstrakcji.Tylko jedna warstwa
Najczęstszym powodem, dla którego w rozdzielaczu znajduje się tylko jedna warstwa, podczas gdy powinny być dwie (tak jak w przypadku, gdy procedura nakazuje "rozdzielić warstwy"), jest popełnienie błędu. Prawdopodobnie do lejka rozdzielającego dodano niewłaściwą warstwę - na przykład nieświadomie dodano warstwę organiczną zamiast warstwy wodnej. Gdy rozpuszczalnik organiczny jest dodawany do warstwy organicznej w lejku rozdzielającym, wynikiem jest tylko jedna warstwa. Błąd można naprawić, o ile warstwy nie zostały jeszcze wyrzucone! Jeśli do lejka zostanie dodana właściwa warstwa, wszystko przebiegnie zgodnie z planem. Aby zapobiec popełnieniu tego błędu w przyszłości, pamiętaj o oznaczeniu kolb Erlenmeyera. Pamiętaj też, aby nigdy nie wyrzucać warstwy, dopóki nie będziesz absolutnie pewien, że wszystko zrobiłeś poprawnie.
Sporadycznym powodem, dla którego w lejku rozdzielającym tworzy się tylko jedna warstwa, jest obecność dużych ilości związków, które rozpuszczają się w obu rozpuszczalnikach, na przykład w przypadku obecności dużych ilości etanolu, który dobrze rozpuszcza się zarówno w rozpuszczalnikach wodnych, jak i organicznych. W takiej sytuacji najlepszym podejściem jest usunięcie kłopotliwego związku (tj. etanolu) na wyparce obrotowej przed ekstrakcją.
Istnieją trzy warstwy
Najczęstszą przyczyną występowania trzech warstw w lejku rozdzielającym jest nieodpowiednie mieszanie (rys. 10 a). Jeśli lejek zostanie wstrząśnięty z większą siłą, prawdopodobnie osadzi się w dwóch warstwach (rys. 10 b). Możliwe jest również, że środkowa trzecia warstwa jest emulsją, w której dwie warstwy nie są w pełni oddzielone.
Najczęstszym powodem, dla którego w rozdzielaczu znajduje się tylko jedna warstwa, podczas gdy powinny być dwie (tak jak w przypadku, gdy procedura nakazuje "rozdzielić warstwy"), jest popełnienie błędu. Prawdopodobnie do lejka rozdzielającego dodano niewłaściwą warstwę - na przykład nieświadomie dodano warstwę organiczną zamiast warstwy wodnej. Gdy rozpuszczalnik organiczny jest dodawany do warstwy organicznej w lejku rozdzielającym, wynikiem jest tylko jedna warstwa. Błąd można naprawić, o ile warstwy nie zostały jeszcze wyrzucone! Jeśli do lejka zostanie dodana właściwa warstwa, wszystko przebiegnie zgodnie z planem. Aby zapobiec popełnieniu tego błędu w przyszłości, pamiętaj o oznaczeniu kolb Erlenmeyera. Pamiętaj też, aby nigdy nie wyrzucać warstwy, dopóki nie będziesz absolutnie pewien, że wszystko zrobiłeś poprawnie.
Sporadycznym powodem, dla którego w lejku rozdzielającym tworzy się tylko jedna warstwa, jest obecność dużych ilości związków, które rozpuszczają się w obu rozpuszczalnikach, na przykład w przypadku obecności dużych ilości etanolu, który dobrze rozpuszcza się zarówno w rozpuszczalnikach wodnych, jak i organicznych. W takiej sytuacji najlepszym podejściem jest usunięcie kłopotliwego związku (tj. etanolu) na wyparce obrotowej przed ekstrakcją.
Istnieją trzy warstwy
Najczęstszą przyczyną występowania trzech warstw w lejku rozdzielającym jest nieodpowiednie mieszanie (rys. 10 a). Jeśli lejek zostanie wstrząśnięty z większą siłą, prawdopodobnie osadzi się w dwóch warstwach (rys. 10 b). Możliwe jest również, że środkowa trzecia warstwa jest emulsją, w której dwie warstwy nie są w pełni oddzielone.
Rys.
a) Trzy początkowe warstwy powstałe w wyniku nieodpowiedniego mieszania, b) Dwie warstwy powstałe w wyniku bardziej energicznego mieszania.Na granicy faz znajduje się nierozpuszczalny materiał.
Niewielka ilość nierozpuszczalnego filmu między dwiema warstwami nie jest rzadkością podczas ekstrakcji. Materiały polimerowe mają tendencję do spoczywania między warstwami, ponieważ interakcje rozpuszczalnika są zminimalizowane na granicy faz. Niewielki film nie jest czymś, czym należy się martwić, ponieważ jeśli niewielka ilość dostanie się do warstwy organicznej, kolejny etap suszenia i filtracji często ją usunie.
Interfejs nie może być widoczny.
Czasami związki w lejku rozdzielającym są tak ciemne, że zasłaniają interfejs między dwiema warstwami. Jeśli tak się stanie, istnieje kilka metod, które mogą pomóc zobaczyć interfejs. Jedną z nich jest trzymanie lejka rozdzielającego pod światło lub świecenie latarką na szkło (rys. 11 b). Dodatkowe światło czasami pozwala zobaczyć interfejs. Drugą metodą jest uważna obserwacja warstw podczas przechylania lejka do przodu i do tyłu (rys. 11 c). Oko może czasami wychwycić subtelne różnice w sposobie przepływu cieczy. Trzecią metodą jest dodanie nieco większej ilości rozpuszczalnika do lejka, aby nieco rozcieńczyć jedną z warstw lub dodać inny rozpuszczalnik, aby zmienić współczynnik załamania światła.
Warstwy nie oddzielają się dobrze (powstała emulsja)
Emulsje mogą powstawać z kilku powodów.
1. Gęstość każdej warstwy może być tak podobna, że nie ma motywacji do rozdzielenia się cieczy.2. Mogą być obecne związki podobne do mydła lub inne środki emulgujące, które rozpuszczają niektóre składniki w sobie nawzajem.
Emulsje mogą być bardzo trudne do usunięcia i najlepiej jest unikać ich w pierwszej kolejności poprzez delikatne wytrząsanie roztworów, które są podatne na emulsje (np. dichlorometan z wysoce zasadowymi lub gęstymi roztworami) w lejku rozdzielającym. Niemniej jednak, jeśli emulsja się utworzy, istnieją pewne sposoby, aby spróbować ją wyjaśnić.
- a) W przypadku łagodnych emulsji, delikatnie zawiruj warstwy i spróbuj strącić zawieszone kropelki za pomocą szklanego mieszadła.
- b) Jeśli to możliwe, pozostaw roztwór na pewien czas (nawet do następnego laboratorium). Przy wystarczającej ilości czasu niektóre roztwory same się osadzają. Oczywiście może to być niepraktyczne.
- c) W przypadku małych objętości należy użyć wirówki, jeśli jest dostępna. Wirówka przyspiesza proces samoczynnego osadzania się emulsji. Należy pamiętać, że wirówka musi być wyważona, w przeciwnym razie może chwiać się na blacie. Podziel roztwory równo, umieszczając probówki o równej objętości naprzeciwko siebie wewnątrz wirówki.
- d) Jeśli emulsja powstaje, ponieważ obie warstwy mają podobną gęstość, spróbuj zmienić gęstość każdej warstwy, aby były bardziej zróżnicowane. Aby pomóc wyjaśnić emulsję, spróbuj zmniejszyć gęstość górnej warstwy lub zwiększyć gęstość dolnej warstwy. Na przykład, jeśli emulsja składa się z octanu etylu (warstwa górna) i roztworu wodnego (warstwa dolna), dodaj trochę NaCl. NaCl rozpuści się w warstwie wodnej i zwiększy gęstość roztworu wodnego. Alternatywnie, dodaj dodatkowy octan etylu, który rozcieńczy warstwę organiczną i zmniejszy jej gęstość. W ostateczności można dodać trochę pentanu, który zmiesza się z górną warstwą organiczną i zmniejszy jej gęstość (pentan jest jednym z najmniej gęstych rozpuszczalników organicznych). Dodanie pentanu jest stosowane jako ostateczność, ponieważ negatywnie wpłynie na zdolność warstwy organicznej do ekstrakcji nieco polarnych związków.
Jeśli emulsja występuje z roztworem wodnym (górna warstwa) i dichlorometanem (dolna warstwa), należy dodać trochę wody z butelki, aby rozcieńczyć górną warstwę i zmniejszyć jej gęstość. Metoda ta okazała się skuteczna w przypadku emulsji z Rys. 13 c, o czym świadczy Rys. 13 d. - c) Spróbuj zmniejszyć rozpuszczalność jednego składnika w drugim. Jedną z metod jest dodanie NaCl lub NH4Cl do rozdzielacza, który rozpuszcza się w warstwie wodnej i zmniejsza zdolność związków organicznych do rozpuszczania się w wodzie ("wysalanie").
Ekstrakcja kwasowo-zasadowa
Jak działają.
Modyfikacją ekstrakcji omówionych wcześniej w tym rozdziale jest przeprowadzenie reakcji chemicznej w lejku rozdzielającym w celu zmiany polarności, a tym samym podziału związku w warstwie wodnej i organicznej. Powszechną metodą jest przeprowadzenie reakcji kwasowo-zasadowej, która może przekształcić niektóre związki z postaci obojętnej w jonową (lub odwrotnie).
Dla przykładu, wyobraźmy sobie, że mieszanina kwasu benzoesowego i cykloheksanu jest rozpuszczona w rozpuszczalniku organicznym, takim jak octan etylu, w rozdzielaczu. Aby rozdzielić składniki, można spróbować usunąć kwas benzoesowy za pomocą płukania wodą, ale kwas benzoesowy nie jest szczególnie rozpuszczalny w wodzie ze względu na niepolarny pierścień aromatyczny i tylko niewielkie ilości zostałyby wyekstrahowane do warstwy wodnej (rys. 14 a).
Dla przykładu, wyobraźmy sobie, że mieszanina kwasu benzoesowego i cykloheksanu jest rozpuszczona w rozpuszczalniku organicznym, takim jak octan etylu, w rozdzielaczu. Aby rozdzielić składniki, można spróbować usunąć kwas benzoesowy za pomocą płukania wodą, ale kwas benzoesowy nie jest szczególnie rozpuszczalny w wodzie ze względu na niepolarny pierścień aromatyczny i tylko niewielkie ilości zostałyby wyekstrahowane do warstwy wodnej (rys. 14 a).
Rozdzielenie mieszaniny kwasu benzoesowego i cykloheksanu jest jednak możliwe przy użyciu przemywania zasadą, taką jak NaOH. Ze względu na swój kwasowy charakter, kwas benzoesowy może ulegać reakcji z NaOH w następujący sposób, w wyniku czego powstaje sól karboksylanowa - benzoesan sodu.
Właściwości rozpuszczalności kwasów karboksylowych znacznie różnią się od ich odpowiednich soli karboksylanowych. Salicylan sodu jest około 350 razy bardziej rozpuszczalny w wodzie niż kwas salicylowy ze względu na swój jonowy charakter (rys. 15) i jest raczej nierozpuszczalny w rozpuszczalnikach organicznych, takich jak eter dietylowy.
Dlatego przemywanie NaOH przekształciłoby kwas benzoesowy w jego jonową formę karboksylanową, która byłaby wówczas bardziej rozpuszczalna w warstwie wodnej, umożliwiając ekstrakcję benzoesanu sodu do warstwy wodnej. Cykloheksan pozostałby w warstwie organicznej, ponieważ nie ma powinowactwa do fazy wodnej, ani nie może w żaden sposób reagować z NaOH. W ten sposób można oddzielić mieszaninę kwasu benzoesowego i cykloheksanu (rys. 14 b). Warstwa wodna może być później zakwaszona HCl(aq), jeśli jest to pożądane, aby przekształcić kwas benzoesowy z powrotem do jego neutralnej postaci.
Przemywanie wodorowęglanem sodu
Ekstrakcja kwasowo-zasadowa może być stosowana do ekstrakcji kwasów karboksylowych z warstwy organicznej do warstwy wodnej. Jak omówiono w poprzedniej sekcji, NaOH może być użyty do przekształcenia kwasu karboksylowego w jego bardziej rozpuszczalną w wodzie jonową formę karboksylanową. Jeśli jednak mieszanina zawiera pożądany związek, który może reagować z NaOH, należy użyć łagodniejszej zasady, takiej jak wodorowęglan sodu. Zachodzi wówczas podobna reakcja.
Przemywanie wodorowęglanem sodu
Ekstrakcja kwasowo-zasadowa może być stosowana do ekstrakcji kwasów karboksylowych z warstwy organicznej do warstwy wodnej. Jak omówiono w poprzedniej sekcji, NaOH może być użyty do przekształcenia kwasu karboksylowego w jego bardziej rozpuszczalną w wodzie jonową formę karboksylanową. Jeśli jednak mieszanina zawiera pożądany związek, który może reagować z NaOH, należy użyć łagodniejszej zasady, takiej jak wodorowęglan sodu. Zachodzi wówczas podobna reakcja.
Jedną z różnic w stosowaniu zasady NaHCO3 zamiast NaOH jest to, że produkt uboczny kwas węglowy (H2CO3) może rozkładać się do wody i dwutlenku węgla. Podczas wytrząsania kwaśnego roztworu z wodorowęglanem sodu w rozdzielaczu, należy zwrócić uwagę na delikatne wirowanie i częstsze odpowietrzanie w celu uwolnienia ciśnienia z gazu.
Przykładem reakcji, w której często stosuje się przemywanie wodorowęglanem sodu, jest reakcja estryfikacji Fischera. Aby to zademonstrować, kwas benzoesowy refluksowano w etanolu wraz ze stężonym kwasem siarkowym w celu utworzenia benzoesanu etylu (rys. 16 a i b). Płytka TLC mieszaniny reakcyjnej po 1 godzinie refluksu wykazała pozostałości nieprzereagowanego kwasu karboksylowego (rys. 16 c), co nie jest rzadkością ze względu na energetykę reakcji.
Przykładem reakcji, w której często stosuje się przemywanie wodorowęglanem sodu, jest reakcja estryfikacji Fischera. Aby to zademonstrować, kwas benzoesowy refluksowano w etanolu wraz ze stężonym kwasem siarkowym w celu utworzenia benzoesanu etylu (rys. 16 a i b). Płytka TLC mieszaniny reakcyjnej po 1 godzinie refluksu wykazała pozostałości nieprzereagowanego kwasu karboksylowego (rys. 16 c), co nie jest rzadkością ze względu na energetykę reakcji.
Pozostałości kwasu karboksylowego można usunąć z pożądanego produktu estrowego za pomocą ekstrakcji kwasowo-zasadowej w rozdzielaczu. Przemywanie wodorowęglanem sodu przekształca kwas benzoesowy w jego bardziej rozpuszczalną w wodzie formę benzoesanu sodu, ekstrahując go do warstwy wodnej (Rys. 17). Dodatkowo, wodorowęglan sodu neutralizuje kwas katalityczny w tej reakcji.
Wodorowęglan sodu jest preferowany zamiast NaOH w tym procesie, ponieważ jest znacznie słabszą zasadą; przemywanie NaOH może spowodować hydrolizę produktu estrowego.
Mieszaniny kwasów i zasad
Jak omówiono wcześniej, właściwości kwasowo-zasadowe związków można wykorzystać do selektywnej ekstrakcji niektórych związków z mieszanin. Strategię tę można rozszerzyć na inne przykładyMieszaniny kwasów i zasad
Ekstrakcja zasad
Związki zasadowe, takie jak aminy, mogą być ekstrahowane z roztworów organicznych poprzez wytrząsanie ich z roztworami kwasowymi w celu przekształcenia ich w bardziej rozpuszczalne w wodzie sole. W ten sposób można je ekstrahować z warstwy organicznej do warstwy wodnej.Ekstrakcja kwasów karboksylowych a fenoli
Jak wspomniano wcześniej, kwasy karboksylowe mogą być ekstrahowane z warstwy organicznej do warstwy wodnej poprzez wytrząsanie ich roztworami zasadowymi, które przekształcają je w ich bardziej rozpuszczalne w wodzie sole.
Jak wspomniano wcześniej, kwasy karboksylowe mogą być ekstrahowane z warstwy organicznej do warstwy wodnej poprzez wytrząsanie ich roztworami zasadowymi, które przekształcają je w ich bardziej rozpuszczalne w wodzie sole.
Podobna reakcja zachodzi z fenolami (PhOH) i one również mogą być ekstrahowane do wodnej warstwy NaOH (Rys. 18 a).
Jednak fenole są znacznie mniej kwaśne niż kwasy karboksylowe i nie są wystarczająco kwaśne, aby całkowicie reagować z NaHCO3, słabszą zasadą. Dlatego też roztwór wodorowęglanu może być użyty do oddzielenia mieszanin fenoli i kwasów karboksylowych (Rys.18 b).
Jednak fenole są znacznie mniej kwaśne niż kwasy karboksylowe i nie są wystarczająco kwaśne, aby całkowicie reagować z NaHCO3, słabszą zasadą. Dlatego też roztwór wodorowęglanu może być użyty do oddzielenia mieszanin fenoli i kwasów karboksylowych (Rys.18 b).
Ekstrakcja związków kwasowych, zasadowych i obojętnych
Omówione wcześniej właściwości kwasowo-zasadowe pozwalają na oczyszczenie mieszaniny zawierającej składniki kwasowe (np. RCO2H), zasadowe (np. RNH2) i obojętne poprzez serię ekstrakcji, jak podsumowano na rys. 19 (w którym zastosowano rozpuszczalnik organiczny mniej gęsty niż woda).
Omówione wcześniej właściwości kwasowo-zasadowe pozwalają na oczyszczenie mieszaniny zawierającej składniki kwasowe (np. RCO2H), zasadowe (np. RNH2) i obojętne poprzez serię ekstrakcji, jak podsumowano na rys. 19 (w którym zastosowano rozpuszczalnik organiczny mniej gęsty niż woda).
zasadowe i obojętne
Zakłada się, że czytelnicy przeprowadzający tego typu eksperymenty są zaznajomieni z wykonywaniem pojedynczych i wielokrotnych ekstrakcji. W tej sekcji opisano różnice między ogólnymi procedurami ekstrakcji a procesem podsumowanym na Rys. 19.
1. Izolacja składnika kwasowego:
a) Gdy składnik kwasowy znajduje się w warstwie wodnej w kolbie Erlenmeyera, można go przekształcić z powrotem w składnik obojętny poprzez dodanie 2M HCl(aq), aż roztwór osiągnie pH 3-4 (jak określono za pomocą papierka pH). Jeśli obecne są duże ilości kwasu, tak że zakwaszenie wymagałoby zbyt dużej objętości 2M HCl(aq), można zamiast tego dodawać kroplami stężony HCl(aq). Niższe stężenia Hcl(aq) są mniej niebezpieczne, ale zwiększenie objętości warstwy wodnej o dużą ilość wpłynęłoby na wydajność kolejnych etapów ekstrakcji i filtrowania.
b) Po zakwaszeniu można wybrać dwie drogi, w zależności od tego, czy składnik kwasowy jest stały czy ciekły.
1. Izolacja składnika kwasowego:
a) Gdy składnik kwasowy znajduje się w warstwie wodnej w kolbie Erlenmeyera, można go przekształcić z powrotem w składnik obojętny poprzez dodanie 2M HCl(aq), aż roztwór osiągnie pH 3-4 (jak określono za pomocą papierka pH). Jeśli obecne są duże ilości kwasu, tak że zakwaszenie wymagałoby zbyt dużej objętości 2M HCl(aq), można zamiast tego dodawać kroplami stężony HCl(aq). Niższe stężenia Hcl(aq) są mniej niebezpieczne, ale zwiększenie objętości warstwy wodnej o dużą ilość wpłynęłoby na wydajność kolejnych etapów ekstrakcji i filtrowania.
b) Po zakwaszeniu można wybrać dwie drogi, w zależności od tego, czy składnik kwasowy jest stały czy ciekły.
- Jeśli po zakwaszeniu soli jonowej tworzy się ciało stałe, można je zebrać za pomocą filtracji ssącej. Ta metoda powinna być stosowana tylko wtedy, gdy widoczne są duże ilości dużych kryształów. Jeśli tworzą się drobne kryształy (które są dość powszechne), zatykają one bibułę filtracyjną i zakłócają odpowiedni drenaż. Jeśli widoczna jest tylko niewielka ilość ciała stałego w porównaniu do teoretycznej ilości, prawdopodobnie związek jest dość rozpuszczalny w wodzie, a filtracja doprowadziłaby do niskiego odzysku.
- Jeśli po zakwaszeniu nie tworzy się ciało stałe (lub jeśli tworzą się drobne kryształy lub niewielka ilość ciała stałego), należy wyekstrahować kwaśny składnik z powrotem do rozpuszczalnika organicznego (×3). Zgodnie z ogólną zasadą, do ekstrakcji należy użyć jednej trzeciej ilości rozpuszczalnika w stosunku do pierwotnej warstwy (np. jeśli używasz 100 ml roztworu wodnego, ekstrahuj za każdym razem 33 ml rozpuszczalnika organicznego). Pamiętaj, aby najpierw schłodzić roztwór wodny w łaźni lodowej przed ekstrakcją, jeśli zakwaszenie wytworzyło zauważalne ciepło. W przypadku użycia eteru dietylowego lub octanu etylu należy wykonać płukanie solanką (× 1), wysuszyć środkiem suszącym i usunąć rozpuszczalnik za pomocą wyparki obrotowej, aby pozostawić czysty składnik kwasowy.
2. Izolacja składnika zasadowego:
Zastosować podobny proces jak w przypadku izolacji składnika kwaśnego, z tym wyjątkiem, że roztwór należy zasadować przy użyciu 2M NaOH(aq), aż do uzyskania pH 9-10 określonego za pomocą papierka pH.
3. Izolacja składnika obojętnego:
Składnik neutralny będzie związkiem "pozostałym" w warstwie organicznej. Aby go wyizolować, należy przemyć solanką (× 1), jeśli używany jest eter dietylowy lub octan etylu, wysuszyć środkiem suszącym i usunąć rozpuszczalnik za pomocą wyparki obrotowej, aby pozostawić czysty składnik neutralny.
Zastosować podobny proces jak w przypadku izolacji składnika kwaśnego, z tym wyjątkiem, że roztwór należy zasadować przy użyciu 2M NaOH(aq), aż do uzyskania pH 9-10 określonego za pomocą papierka pH.
3. Izolacja składnika obojętnego:
Składnik neutralny będzie związkiem "pozostałym" w warstwie organicznej. Aby go wyizolować, należy przemyć solanką (× 1), jeśli używany jest eter dietylowy lub octan etylu, wysuszyć środkiem suszącym i usunąć rozpuszczalnik za pomocą wyparki obrotowej, aby pozostawić czysty składnik neutralny.
Wnioski.
Metody ekstrakcji są stosowane do ekstrakcji niektórych substancji z mieszaniny. Substancje te mogą być zasadowe, kwasowe lub obojętne (polarne lub niepolarne). Na przykład ta metoda jest stosowana podczas produkcji amfetaminy na etapie dekantacji: zbierz górną warstwę zawierającą bazę amfetaminy w alkoholu. Można ją nieco wysuszyć bezwodnym siarczanem magnezu, a żużel można dodatkowo ekstrahować niepolarnym rozpuszczalnikiem (eterem, benzenem, toluenem), rozpuszczalnik jest następnie odparowywany. Produkcja mefedronu obejmuje manipulację lejkiem rozdzielającym i ekstrakcję. Ekstrakcja kwasowo-zasadowa jest również stosowana w oczyszczaniu niektórych substancji psychoaktywnych z zanieczyszczeń.
Attachments
Last edited: