Екстракція та висушування органічних речовин

Екстракція - процес вилучення одного або кількох компонентів з розчинів або з твердих сумішей за допомогою вибіркових розчинників (екстрагентів). Спосіб ґрунтується на різній розчинності речовин у розчиннику або в двох різних розчинниках, які не змішуються між собою.

Наприклад, оцтова кислота добре розчиняється у воді і в органічних розчинниках - бензолі, спирті. Для екстракції оцтової кислоти з її водного розчину вибирають розчинник, який не змішується з водою – бензол. Тоді при доданні бензолу до водного розчину CH₃COOH кислота перейде в бензольний шар. Повторюючи цю операцію кілька разів, можна видалити з води практично всю оцтову кислоту.

Із суміші кількох речовин також можна виділити одну з них, підібравши розчинник, який розчиняє лише цю речовину і не розчиняє інші.

Розчинник для екстрагування (екстрагент) повинен задовольняти певні вимоги:

- екстрагент і розчин повинні значно відрізнятись за густиною;

- розчинність речовини, яку видаляють в екстрагенті, має бути значно вищою, ніж у розчині;

- екстрагент повинен мати не дуже високу температуру кипіння.

Як екстрагенти найчастіше застосовують бензол, дихлоретан, діетиловий етер, хлороформ, етилацетат тощо.

Ефективність екстракції залежить від коефіцієнта розподілу, який показує співвідношення концентрацій (concentration) даної речовини в двох розчинниках, що не змішуються між собою.

Процес екстрагування проводять у кілька стадій:

- перевіряють герметичність ділильної лійки, для чого заповнюють її водою. Якщо кран лійки у закритому стані пропускає воду, його змащують гліцерином;

- закріплюють лійку вертикально і заповнюють її розчином та екстрагентом так, щоб загальний об’єм рідини не перевищував 2/3 об'єму лійки. Об'єм розчинника повинен дорівнювати приблизно 1/5 об'єму розчину;

- закривають її пробкою і, тримаючи лійку в руках, обережно перемішують суміш, перевертаючи вверх і вниз протягом 5 - 10 хвилин. Періодично відкривають пробку (у її верхньому положенні) для вирівнювання тиску);

- перевертають лійку пробкою вниз і відкривають кран для вирівнювання тиску (вирівнювання тиску проводять доти, доки тиск у лійці не буде змінюватися);

- лійку закріплюють вертикально, після розшарування рідин знімають з лійки пробку і випускають нижній шар рідини у конічну колбу або хімічний стакан через кран;

- верхній шар виливають через тубус лійки;

- якщо при екстракції утворилась емульсія (emulsion), її можна зруйнувати, додаючи аміловий спирт або натрій хлорид;

- одержані після екстракції розчини висушують дегідратуючими речовинами, а потім відганяють розчинник за допомогою перегонки при атмосферному тиску.

Висушування органічних рідин та розчинів. У багатьох випадках органічні розчинники, які застосовуються в хімічних лабораторіях, не повинні містити воду в помітних кількостях, оскільки при нагріванні це може привести до гідролізу речовин, які переганяються. Наявність води у розчині при перегонці веде до появи нових фракцій і, як наслідок, до втрат основного продукту.

Широкопоширені методи висушування органічних рідин за допомогою дегідратуючих речовин. Осушувач повинен задовольняти такі вимоги:

- не повинен хімічно взаємодіяти як з розчинником, так і з розчиненою речовиною;

- не повинен каталітично сприяти самоокисненню, полімерізації і конденсації компонентів розчину;

- не повинен помітно розчинятися в органічній рідині;

- повинен зв'язувати воду швидко і ефективно;

- повинен бути доступною речовиною.

Виділення та очищення органічних речовин перегонкою при атмосферному тиску. Метод перегонки застосовується для очищення і розділення суміші рідин, які відрізняються за температурами кипіння. Цей метод доцільний лише в тому випадку, коли речовина, яку переганяють, є стійкою до нагрівання і практично не розкладається при температурі кипіння.

Перегонка - це процес, який включає часткове випаровування суміші і подальшу конденсацію утвореної пари. В результаті конденсації пари одержують рідину, склад якої відрізняється від складу вихідної суміші. Розділення рідин перегонкою ґрунтується на різній леткості компонентів суміші за однієї температури, а тому при перегонці всі компоненти суміші переходять у пароподібний стан у кількостях, пропорційних їх леткості. Тобто, парова фаза завжди містить більшу кількість низькокиплячого компонента, ніж їх рідка суміш.

При випаровуванні встановлюється рівновага між рідиною і парою та відповідний тиск пари, значення якого залежить від природи рідини та температури, причому з підвищенням температури тиск пари над рідиною підвищується. Деякі сполуки утворюють суміші, при перегонці яких склад пари не відрізняється від складу рідини, тобто ці суміші киплять при однаковій температурі, а значить стають нероздільними. Такі суміші називають азеотропними.

Перегонку при атмосферному тиску доцільно застосовувати для рідин із температурою кипіння від 40 до 150° С, оскільки за температури понад 150° С більшість органічних сполук розкладаються, а інші - з температурами кипіння нижче 40° С переганяються зі значними втратами.

При певній температурі тиск пари, що знаходиться над рідиною, не залежить від кількості рідини та пари, але зростає з підвищенням температури.

Рідина починає кипіти, коли тиск пари дорівнюватиме атмосферному тиску. За цих умов температура рідини більше не підвищується. При подальшому нагріванні киплячої рідини підвищується швидкість пароутворення.

Температура кипіння рідини - це температура, за якої тиск пари рідини в кожній точці над її поверхнею дорівнює атмосферному. Необхідно завжди вказувати тиск, при якому відбувається перегонка, наприклад: Т_кип = 121° С (753 мм рт. ст.). Зниження тиску викликає зменшення температури кипіння рідини і навпаки - підвищення тиску приводить до зростання температури кипіння. Вважають, що зниження атмосферного тиску на 10 мм рт. ст. викликає зменшення температури кипіння в порівнянні з температурою кипіння при 760 мм рт. ст. на 0,5° С.

Складають установку для перегонки. Термометр, який показує температуру пари рідини, що переганяють, вставляють у колбу так, щоб кулька з ртуттю була розташована на 0,5 см нижче отвору відвідної трубки для забезпечення омивання кульки. Холодильник з’єднують з алонжем, який дозволяє знизити втрати низькокиплячої речовини за рахунок випаровування. У колбу наливають рідину, що підлягає перегонці, кладуть кип’ятильні камінці, які забезпечують рівномірне кипіння, та закривають горловину пробкою з термометром. Підставляють приймач для дистиляту і починають нагрівання. Не можна додавати кип’ятильні камінці в киплячу рідину, оскільки при цьому відбувається її бурхливе закипання. При перегонці рідина не повинна бурхливо кипіти, у іншому випадку вона може потрапити у відвідну трубку та забруднити дистилят.

При роботі установки з водяним холодильником потрібно постійно стежити за напором води в ньому: слабкий напір води або відсутність її в холодильнику може призвести до виходу пари в атмосферу, отруєння повітря і, тим самим, створити токсичну й вогненебезпечну обстановку.

Речовину не можна відганяти повністю. Перегонку припиняють, коли в колбі для перегонки залишається 1 - 2 мл рідини.

В залежності від температури кипіння рідини, яку переганяють, колбу нагрівають або на водяній бані (для речовин, температура кипіння яких нижче 80°С), азбестовій сітці, або на піщаній бані. Температура бані не повинна перевищувати температуру кипіння рідини більш ніж на 25°С. Горючі, легкозаймисті рідини, такі як діетиловий етер, переганяють на водяній бані, попередньо нагрітій на електричній плитці із закритим елементом. Горючі рідини з температурою кипіння понад 100°С можна нагрівати на електроплитках.

Якщо здійснюють перегонку чистої речовини, показники термометра в процесі перегонки залишаються сталими. Практично чистою вважають речовину, яка переганяється в інтервалі температур з різницею в 1 - 2 °С.

Простою перегонкою можна розділити суміші речовин, температури кипіння яких значно (на декілька десятків градусів) відрізняються одна від одної. При простій перегонці не можна домогтися повного розділення суміші, але можна виділити окремі фракції: першу, яка містить більш летку (більш низькокиплячу) речовину, останню, яка містить менш летку (більш висококиплячу) речовину. Середня проміжна фракція буде складатись із суміші обох речовин, які розділяються.

Метрологія виникла як наука про різноманітні міри і співвідношення між ними. Слово утворено з двох грецьких слів: "метрон" - міра і "логос" - вчення, що в буквальному перекладі - ”вчення про міри”. Проблема уніфікації методів та засобів вимірювання сягає своїми коренями у сиву давнину, що власне і визначає потребу в єдності, тобто стандартизації мір, що є підґрунтям формування метрології як науки.

Метрологія має велике значення для прогресу природничих і технічних наук, оскільки підвищення точності вимірювань - один із засобів вдосконалення шляхів пізнання природи людиною, відкриттів і практичного застосування точних знань.

Для забезпечення науково-технічного прогресу метрологія повинна випереджати в своєму розвитку інші області науки і техніки, бо для кожної з них точні вимірювання є одним з основних шляхів їх вдосконалення.

Метрологічні характеристики - це характеристики властивостей засобу вимірювань, які нормуються для визначення результату вимірювання і його похибок. Для кожного типу засобу вимірювань встановлюють свої метрологічні характеристики.

Характеристики, що встановлюються нормативно-технічними документами, називаються нормованими метрологічними характеристиками, а ті, що визначаються експериментально - дійсними метрологічними характеристиками. Номенклатура метрологічних характеристик, правила вибору комплексів нормованих метрологічних характеристик для засобів вимірювань і способи їх нормування визначаються стандартом ГОСТ 8.009-84.

До основних метрологічних характеристик відносяться:

- градуювальна характеристика;

- похибка засобу вимірювань;

- чутливість;

- ціна поділки шкали;

- поріг чутливості;

- діапазон вимірювань;

- варіація показів;

- варіація вихідного сигналу;

- динамічні характеристики (перехідна та імпульсна перехідна функції, амплітудні і фазові характеристики, передавальна функція) та ін.

До нормованих метрологічних характеристик включають ті, що відображають реальні властивості засобу вимірювання і перелік цих характеристик повинен бути достатнім для оцінки інструментальної складової похибки вимірювань в умовах застосування засобу вимірювань.

Загальний перелік нормованих метрологічних характеристик засобу вимірювань, форми їх подання та методи нормування визначаються стандартами. В перелік можуть входити:

- межі вимірювань, межі шкали;

- ціна поділки аналогових засобів;

- вихідний код, число розрядів коду, номінальна ціна найменшого розряду для цифрових засобів;

- градуювальна характеристика;

- похибка;

- варіація показів приладу або вихідного сигналу перетворювача;

- повний вхідний опір вимірювального пристрою, вимірювального перетворювача та ін.

Модуль 2

ФІЗИКО-ХІМІЧНІ МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕННЯ ТОВАРІВ