Przeczytaj
Co to jest ekstrakcja?
Mieszaniną nazywa się układ dwóch lub więcej substancji, które zmieszane są ze sobą w dowolnym stosunku ilościowym. Istnieje wiele sposobów rozdzielania mieszanin, a jednym z nich jest ekstrakcjaekstrakcja. To metoda polegająca na wymywaniu specjalnie dobranym rozpuszczalnikiem (ekstrahentem) rozdzielanych składników z mieszaniny stałej lub ciekłej, dzięki procesowi dyfuzjidyfuzji. Jest to samorzutny proces rozprzestrzeniania się cząsteczek, wykorzystujący różne powinowactwo rozdzielanych składników do ekstrahenta. Zjawisko dyfuzji przebiega do momentu osiągnięcia stanu równowagi termodynamicznej przez dany układ. Po usunięciu wszystkich wymytych warstw rozdzielanej substancji, dochodzi do odparowania rozpuszczalnika. Procesu ekstrakcji możemy także doświadczyć podczas naszych codziennych czynności, jak parzenie herbaty czy kawy. Jest to proces w układzie ciało stałe–ciecz. Na czym dokładnie polega?
Parząc herbatę, do substancji stałej, którą są liście herbaty, dodajemy rozpuszczalnik w postaci gorącej wody. Dzięki temu substancje (np. teina, katechiny, kofeina, teobromina i teofilina), zawarte w liściach i odpowiedzialne za smak oraz właściwości tego naparu, dyfundują poprzez ekstrakcję do wody.
Przebieg ekstrakcji
Ekstrakcja wykorzystuje różnice rozpuszczalności substancji, zawartych w mieszaninie w wybranym rozpuszczalniku (tzw. powinowactwo do rozpuszczalnika/ekstrahenta). W układzie ciecz–ciecz, do rozpuszczalnika pierwotnego dodaje się rozpuszczalnik wtórny (ekstrahent), w którym dobrze rozpuszcza się odzyskiwany związek/substancja. Następnie całość miesza się, a po rozwarstwieniu, czyli uzyskaniu warstw niemieszających się rozpuszczalników, zbiera się warstwę ekstrahenta. Do przeprowadzenia procesu ekstrakcji wykorzystuje się np. rozdzielacz gruszkowy.
Do uzyskania najlepszego efektu rozdzielania, czynność tę powtarza się wielokrotnie. W ten sposób otrzymuje się rafinat, czyli roztwór pierwotny, pozbawiony prawie całkowicie odzyskiwanego związku, oraz bogaty w niego ekstrakt. Proces ten w sposób ilościowy opisuje prawo podziału Nernsta, a w trakcie tego procesu ustala się stan równowagi. Stosunek stężeń substancji rozpuszczonej w dwóch niemieszających się cieczach jest stały w danej temperaturze i pod danym ciśnieniem.
gdzie:
– stężenie rozdzielanych składników w górnej fazy cieczy;
– stężenie rozdzielanych składników w dolnej fazie cieczy;
– stała nazywana współczynnikiem podziału lub współczynnikiem ekstrakcji.
Jak właściwie dobrać rozpuszczalnik do ekstrakcji?
Niewątpliwie w procesie ekstrakcji kluczowy jest dobór odpowiedniego ekstrahentaekstrahenta. Wybiera się takie rozpuszczalniki, które selektywnie rozpuszczają jeden związek chemiczny i nie rozpuszczają lub rozpuszczają w niewielkim stopniu pozostałe. Na efektywność procesu ekstrakcji wpływa:
ekstrahent (użyty rozpuszczalnik);
temperatura;
intensywność mieszania.
Cechy dobrze dobranego rozpuszczalnika ekstrahującego:
niewielka rozpuszczalność w rozpuszczalniku pierwotnym;
duża rozpuszczalność odzyskiwanej substancji i tym samym niewielka rozpuszczalność pozostałych składników mieszaniny (zasada „podobne rozpuszcza się w podobnym”);
duża wartość współczynnika stałej podziału;
duża różnica ciężarów właściwych obu faz (ułatwia rozdział faz);
trwałość substancji w roztworze;
duża czystość i trwałość;
niska zdolność do tworzenia emulsji;
mała lepkość (sprzyja szybkiemu osiągnięciu równowagi);
mała toksyczność;
niepalność;
duża lotność (sprzyja łatwemu odparowaniu);
niska cena.
Dla procesów ekstrakcji, prowadzonych w układzie ciecz–ciecz, dużą efektywność rozdzielania uzyskuje się w wyniku wysycenia warstwy wodnej solą nieorganiczną (tj. chlorek sodu, siarczan() sodu, chlorek amonu, węglan potasu). Sól powoduje zmniejszenie rozpuszczalności odzyskiwanej substancji organicznej z mieszaniny, na skutek zwiększenia stałej dielektrycznej roztworu i korzystnej zmiany współczynnika podziału.
Jakie są rodzaje ekstrakcji?
Ekstrakcja dzieli się ze względu na:
sposób prowadzenia procesu: na periodyczną i ciągłą;
rodzaj układu ekstrakcyjnego; na ekstrakcję: ciecz–ciecz oraz ciało stałe–ciecz.
Ekstrakcja periodyczna
polega na rozdzieleniu substancji pomiędzy dwa niemieszające się ze sobą rozpuszczalniki, w wyniku jednokrotnego ich wytrząsania (zwiększenia powierzchni międzyfazowej) aż do osiągnięcia stanu równowagi odzyskiwanej substancji w obu rozpuszczalnikach. Może być jednostopniowa, w wyniku której wydzielenie substancji następuje po jednorazowym przemyciu rozpuszczalnika pierwotnego ekstrahentem, lub wielostopniowa, która do wydzielenia substancji wymaga wielokrotnego powtórzenia procesu jednostopniowego.
Ekstrakcja ciągła
polega na tym, że obie fazy rozpuszczalników przemieszczają się i stykają ze sobą. Drobne krople rozpuszczalnika przesuwają się w drugim dzięki różnicy gęstości. Metoda ta służy do rozdziału mieszanin o małych współczynnikach ekstrakcji. Istotną wadą tego sposobu ekstrakcji jest bardzo duże zużycie ekstrahenta.
Ekstrakcja typu ciecz-ciecz
polega na wykorzystaniu wzajemnej niemieszalności rozpuszczalników, pierwotnego oraz ekstrahującego, dzięki czemu po zakończeniu ekstrakcji można je łatwo rozdzielić. Taki rozdział przeprowadza się w rozdzielaczu (naczynie szklane z rurką odpływową i kranem).
Ekstrakcja w układzie ciało stałe-ciecz
polega na selektywnym rozpuszczaniu pożądanej substancji obecnej w próbce stałej, przy użyciu odpowiedniego rozpuszczalnika. Ten typ ekstrakcji nazywany jest ługowaniem i jest podstawowym procesem służącym do wydzielania związków organicznych z surowców roślinnych. Rozdział ten przeprowadza się w aparacie Soxhleta.
Aparat Soxhleta składa się z trzech części, które połączone są za pomocą szlifów: kolby okrągłodennej (), ekstraktora (), i chłodnicy zwrotnej (). Ekstrahowane ciało stałe umieszcza się w gilzie () (wykonanej np. z grubej bibuły). W kolbie okrągłodennej umieszcza się lotny rozpuszczalnik, który wrze na skutek ogrzewania kolby, a jego opary skraplają się w chłodnicy zwrotnej. Następnie rozpuszczalnik gromadzi się w ekstraktorze i wypłukuje określoną substancję z ciała stałego, umieszczonego w gilzie. Potem rozpuszczalnik, wraz z wyekstrahowaną substancją, samoczynnie (poprzez zamknięcie syfonowe ()) przelewa się do kolby, skąd jest ponownie oddestylowywany.
Słownik
wyodrębnianie jednego lub więcej składników z mieszaniny do odpowiedniego rozpuszczalnika, który lepiej rozpuszcza te związki chemiczne
określa, w jaki sposób dowolna substancja chemiczna ulega podziałowi pomiędzy dwa niemieszające się ze sobą rozpuszczalniki, tak, że w stanie równowagi stosunek stężeń substancji rozpuszczonej w tych dwóch rozpuszczalnikach jest stały w danej temperaturze i pod danym ciśnieniem oraz nie zależy od ogólnego stężenia substancji
proces, który polega na samorzutnym przenikaniu cząsteczek jednej substancji do drugiej, prowadzące do wyrównania stężenia
roztwór otrzymany w procesie ekstrakcji
rozpuszczalnik wtórny, który służy do wydzielenia substancji rozdzielanej z roztworu pierwotnego
rodzaj ekstrakcji, która polega na wymywaniu ciekłych lub stałych składników z materiałów stałych za pomocą cieczy
Bibliografia
Encyklopedia PWN
Hejwowska S., Marcinkowski R., Chemia ogólna i nieorganiczna, Gdynia 2005.