在任一溶剂中,不同的物质具有不同的溶解度,利用混合物中各物质溶解度的不同,将混合物组份得到完全或部分的分离过程叫萃取,也称提取。如,从溶解在碘化钾溶液中的碘,可用四氯化碳分次把碘分离出来;将海带中的甘露醇用酒精把它分离出来等等,都是提取的操作过程。
萃取这一操作方法,在化验分析工作中经常要用到。特别是有机物的原料要分析其中某一成份时,往往采用提取的方法将其某一成份抽提出来进行定性或定量分析。最常见的是有机体中脂肪的定量分析,就是用乙醚在索氏提取器里进行提取的。提取的方法很多,最常用的是浸泡法和溶剂分层法。在我们讨论提取方法之前,先介绍一个与提取有关的基本理论概念,即分配系数。
在一定的条件下,某种物质可按一定的比例同时溶解在两种互不相溶的混合的液体中,当达到平衡状态时,此物质溶解在这两种液体中的浓度的比例关系叫做分配系数。如在20℃时,酒精在水和石油醚的混合液中(假设水和石油醚均为一升)的溶解度分别是。酒精在水中含有20克/升,酒精在石油醚中含有40克/升。当酒精溶解在水和石油醚的混合液中达到平衡状态时,那么酒精在水和石油醚中的分配系数即为20/40=0.5。
明确了分配系数的概念,就可以进一步理解提取的原理。
从上例中可以看出,在水和石油醚的混合液中共含有酒精60克,在水中有20克,在石油醚中有40克。如果将混合液分层后,倾出含有酒精的石油醚液,再加进新的石油醚1升,那么新加进的石油醚又要从水中分出一部分酒精来,分出的数量仍要按其分配系数来分配,即将水中的20克/升酒精分给石油醚20/(1+0.5)≈13.33克/升,留在水中13.33×0.5≈6.67克/升。如果再将含酒精的石油醚倾出换上新石油醚,仍要按此分配系数分配下去,经过几次提取以后,可以认为在水中只存有极少量的酒精,而大量的酒精则被石油醚提取出来了。这就是从液体中用溶剂提取溶质的理论根据。
1.从溶液中提取溶质(或某一组份)
要提取溶液中的溶质或某一组份时,所选用的溶剂必需与溶液中原溶剂互不相溶,而且能大量溶解被提取的溶质(或者与提取组份互溶)。当选用溶剂与溶液混合后,由于溶质(或某一组份)在两种互不相溶的溶剂中的分配系数不同,经多次提取即可分离出来。抽提的仪器可采用各式各样分液漏斗。
例如,要分析化验某盐场的盐卤中碘的含量,采集盐卤样品,经加酸和氧化剂将碘氧化游离出来后,置于分液漏斗中,用四氯化碳经多次提取可将碘抽提出来,再用硫代硫酸钠(Na2S2O3)进行滴定。操作过程中所利用的四氯化碳和盐卤是互不相溶的,而能大量的溶解碘。
从水溶液中提取物质,通常是选用有机溶剂,如丙酮、乙醚、石油醚、苯等。为避免消耗大量的溶剂,往往在水溶液中加进足够饱和量的食盐,这样可以减低被提取的溶质在水中的溶解度,使溶质在水和有机溶剂中改变分配系数,即增加在有机溶剂中的溶解度,既节省有机溶剂用量,又减少提取次数。
从溶液中提取溶质时的操作要注意下面几个问题:
(1)被提取的溶液装入分液漏斗的量不要超过分液漏斗体积的1/2,第一次加入提取溶剂的量不宜超过溶液量的一半,以后每次加入量逐渐减少,直至溶液中或提取溶剂中检查不出溶质的痕迹为止。
(2)溶剂加入溶液中时,分液漏斗的上塞和下阀紧闭后,两手分别执住上塞和阀门并倒置分液漏斗小心轻轻振荡摇动(尤其第一次提取),并不时在流出阀(向上)放气。混合均匀后,静置分液漏斗,待分层后放出提取溶剂。溶液再同上法加入提取溶剂提取,直至溶液中无溶质痕迹。各次放出的提取溶剂合併一起后,再进行下步操作。如提取溶剂在上层,用两个分液漏斗交替使用更为方便。
(3)新提取的溶液中含有被抽提出的溶质,如不能直接测定,需选择适当方法进行蒸馏或蒸发将溶质和溶剂分开,再进行测定工作。
2.从固体混合物或有机物中提取物质
从固体混合物或有机体中提取某种物质时,一般采用浸泡法,所以这种方法又称为浸取。所采用的浸取溶剂,应该是既能大量的溶解被提取的物质又不要破坏被提取物质的性质。为提高物质在溶剂中的溶解度,浸取时,往往要加热。在化验室里常用的是索克斯列特式的提取器(简称索氏提取器或叫脂肪抽出器),这种仪器在形式上如果相互之间有差别,就是在冷凝器部分的形式不一样。整套仪器由三部分组成,即烧瓶、迴流抽提器和冷凝器。三部分的连接处都是磨口密封的,如图4-27所示。
例如,测定大豆中的脂肪含量,在操作时,被提取的样品经粉碎用专用纸筒装好或用滤纸包好,放在提取迴流器中,其样品的高度不宜超过迴流虹吸管。烧瓶中倒入约为提取器等体积(至虹吸管高)的甲苯,装上提取器,再将甲苯倒入提取器中,其量约为提取器虹吸管高度的1/2,装上冷凝器,连通冷水管将装好的仪器小心装在水浴上加热,进行循环提取。
索氏提取器的工作原理比较简单,提取器中的样品被甲苯浸泡,大豆中的脂肪溶解到甲苯中。同时,烧瓶中的甲苯被水浴加热沸腾,甲苯蒸气从提取器的粗管进至冷凝器,遇冷又凝结成甲苯液体,滴到提取器中浸取样品,当提取器中接收的甲苯液逐渐增多到迴流虹吸管的高度时,这时也溶解出相当量的脂肪,立即就流到烧瓶中去。烧瓶中的甲苯溶液继续加热,并不断冷却滴到提取器中。这样,样品中的脂肪不断被热甲苯抽提出来,直至大豆样品中的脂肪全被抽提出来。
抽提完毕时,应再在抽提器中接收的甲苯量至达虹吸管高度3/4时,停止加热,小心地取下冷凝器,取下提取器,将甲苯回收起来,再将烧瓶取出擦干浄外壁,进行下一步操作处理。
用索氏提取法应注意的问题。
(1)如果样品份数多,可以将几个索氏提取器同时使用,各冷凝器可以将冷水管串联起来。
(2)索氏提取器所用溶剂一般都用有机溶剂,所以要采用水浴。水浴温度要调至稍高于溶剂沸点,能达到烧瓶内沸腾即可。
(3)提取时间要以样品中被提取物质是否抽提净来决定,如果溶剂在中途蒸发损耗太多,可适当地从冷凝器的上口小心加入(用漏斗)适量新溶剂加以补充。
(4)索氏提取器的每套仪器的三部分如果不是统一磨口就不要与另一套相互调换,调换后就不密封了。
(5)提取时,房间中应该空气流畅,因有机溶剂蒸气多了对人体有害且易着火。特别注意,在仪器周围不要有明火,以防止空气中的有机溶剂蒸气着火或爆炸。
3.盐析法
在提取的操作方法中,还有一种叫做盐析法提取。也是在化验分析工作中常用的一种方法。
向溶液中加入某一物质,使溶质溶解在原溶剂中的溶解度大大降低,从而从溶液中沉淀出来,这个方法叫做盐析。
最常见的例子,如在蛋白质溶液中,加入大量的盐类,特別是加入重金属盐,蛋自质就从溶液中沉淀出来。
在进行盐析工作时,应该注意所选择加入溶液中的物质应该以不破坏溶液中要析出的物质为原则,否则达不到盐析提取的目的。盐析沉淀后,再选择适当的分离方法,如过滤,离心分离,或蒸发等。这要根据溶液、溶剂,析出物质的性质和实验要求来决定。
在盐析工作中,经常附带着有pH值、温度等条件的要求,这点应该注意。