Operacións Bàsiques al Laboratori Químic. Extracció. Tipus d'Extraccions

L’extracció líquid-líquid és un mètode molt útil per separar components d’una mescla. L’èxit d’aquest mètode depèn de la diferència de solubilitat del compost que es vol extreure en dos dissolvents diferents. Quan un compost és sacsejat amb dos dissolvents que siguin immiscibles entre ells, el compost es distribueix entre els dos dissolvents. A una temperatura determinada, la relació de concentracions del compost en cada dissolvent és sempre constant, i aquesta constant és el que s’anomena coeficient de distribució o de repartiment (K = concentració en dissolvent 2 / concentració en dissolvent 1).

És freqüent obtenir mescles de reacció en dissolució o suspensió aquosa (bé perquè la reacció s’hagi dut a terme un medi aquós o bé perquè durant el final de reacció s’hagi afegit una dissolució aquosa sobre la mescla de reacció inicial). En aquestes situacions, l’extracció del producte de reacció desitjat a partir d’aquesta mescla aquosa es pot aconseguir afegint un dissolvent orgànic adient, més o menys dens que l’aigua, que sigui immiscible amb l’aigua i capaç de solubilitzar el màxim de producte que es vol extreure però no les impureses que l’acompanyen en la mescla de reacció. Després de sacsejar la mescla de les dues fases per tal d’augmentar la superfície de contacte entre elles i permetre un equilibrament més ràpid del producte que s'ha d’extreure entre les dues fases, es produirà una transferència del producte desitjat des de la fase aquosa inicial cap a la fase orgànica, en una quantitat més elevada com més alt sigui el coeficient de repartiment entre el dissolvent orgànic d’extracció escollit i l’aigua. Uns minuts després de l’agitació, les dues fases se separen de nou, amb la qual cosa la fase orgànica que conté el producte desitjat es podrà separar mitjançant una simple decantació de la fase aquosa que conté impureses. La posició relativa d’ambdues fases depèn de la relació de densitats. Atès que, després d’aquesta extracció, la fase aquosa freqüentment encara conté una determinada quantitat del producte desitjat, s’acostuma a repetir el procés d’extracció un parell de vegades més.

Un cop finalitzada l’operació d’extracció, s’ha de recuperar el producte extret a partir de les fases orgàniques reunides. Per a això, s’ha d’assecar la fase orgànica resultant amb un agent dessecant, filtrar la suspensió resultant i finalment eliminar el dissolvent orgànic de la dissolució seca contenint el producte extret mitjançant destil·lació o evaporació

Tot i que normalment l’extracció s’utilitza per separar el producte desitjat selectivament d’una mescla, de vegades el que es pretén amb l’extracció és eliminar impureses no volgudes d’una dissolució.

Característiques del dissolvent d’extracció

Tot i que normalment l’extracció s’utilitza per separar selectivament el producte desitjat d’una mescla, de vegades el que es pretén amb l’extracció és eliminar impureses no volgudes d’una dissolució.

L’extracció d’un component d’una mescla dissolta en un determinat dissolvent es pot aconseguir afegint un altre dissolvent que compleixi les condicions següents:

Que no sigui miscible en quantitat apreciable amb l’altre dissolvent. El dissolvent d’extracció ha de ser immiscible amb la dissolució que s’ha d’extreure. L’aigua o una dissolució aquosa sol ser un dels dissolvents implicats. L’altre dissolvent és un dissolvent orgànic.
Que el component desitjat sigui molt més soluble en el dissolvent d’extracció que en el dissolvent original.
Que la resta de components no siguin solubles en el dissolvent d’extracció.
Que sigui suficientment volàtil, per poder-lo eliminar fàcilment del producte extret per destil·lació o evaporació.
Que no sigui tòxic ni inflamable, tot i que, malauradament hi ha pocs dissolvents que compleixin els dos criteris: hi ha dissolvents relativament no tòxics però inflamables com ara l’hexà; d’altres no són inflamables però sí tòxics com ara el diclorometà o el cloroform, i d’altres són tòxics i inflamables com ara el benzè.

Dissolvents immiscibles amb l’aigua: dissolvents més freqüentment utilitzats

Hi ha una regla general: com més polar és el dissolvent orgànic, més miscible (soluble) és amb l’aigua. Per exemple, dissolvents polars com ara el metanol, l’etanol o l’acetona són miscibles amb l’aigua i, per tant, no són adequats per a extraccions líquid-líquid.

Els dissolvents orgànics amb baixa polaritat com ara el diclorometà, l’èter dietílic, l’acetat d’etil, l’hexà o el toluè són els que se solen utilitzar com a dissolvents orgànics d’extracció.

Taula de dissolvents d’extracció comunament utilitzats

Nom	Fórmula	Densitat (g/mL)¹	Punt d’ebullició (ºC)	Perillositat
Dissolvents d’extracció menys densos que l’aigua
Èter dietílic	(CH₃CH₂)₂O	0,7	35	Molt inflamable, tòxic
Hexà	C₆H₁₄	≈ 0,7	> 60	Inflamable
Benzè	C₆H₆	0,9	80	Inflamable, tòxic, carcinogen
Toluè	C₆H₅CH₃	0,9	111	Inflamable
Acetat d’etil	CH₃COOCH₂CH₃	0,9	78	Inflamable, irritant
Dissolvents d’extracció més densos que l’aigua
Diclorometà	CH₂Cl₂	1,3	41	Tòxic
Cloroform	CHCl₃	1,5	61	Tòxic
Tetraclorur de carboni	CCl₄	1,6	77	Tòxic

¹ La densitat de l’aigua a temperatura ambient és 1,0 g/mL, i la de la dissolució aquosa saturada de NaCl és 1,2 g/mL.

Repetició del procés d’extracció

Després d’una primera extracció es produeix un repartiment del compost que es vol extreure entre el dissolvent d’extracció i la fase inicial. Com que la fase inicial sol contenir encara una quantitat apreciable del compost que s’ha d’extreure, variable d’acord amb el seu coeficient de repartiment entre els dos dissolvents implicats, és recomanable repetir el procés d’extracció amb noves quantitats de dissolvent d’extracció, per tal d’optimitzar-ne la separació. A partir de la fórmula del coeficient de repartiment és molt fàcil demostrar que és més eficient una extracció amb n porcions d’un volum V / n de dissolvent d’extracció que una sola extracció amb un volum V de dissolvent. Per tant, com més gran sigui el nombre d’extraccions amb volums petits de dissolvent d’extracció, major serà la quantitat de producte extret, o dit d’una altra manera, <<millor molts de poc que pocs de molt>>.

9.2.1.2. Extracció líquid-líquid contínua

L’extracció líquid-líquid simple, que és el procediment d’extracció més emprat al laboratori químic, se sol utilitzar sempre que el repartiment del compost que s’ha d’extreure en el dissolvent d’extracció és prou favorable. Quan això no és així i la solubilitat d’aquest compost en els dissolvents d’extracció habituals no és gaire elevada, se sol utilitzar un altre procediment que implica una extracció contínua de la fase inicial (normalment una fase aquosa) amb porcions noves del dissolvent orgànic d’extracció. Per evitar d’utilitzar grans volums de dissolvent d’extracció, el procés es fa en un sistema tancat en el qual el dissolvent d’extracció s’escalfa en un matràs i els vapors del dissolvent es fan condensar en un refrigerant col·locat sobre un tub o cambra d’extracció que conté la dissolució aquosa que s’ha d’extreure. El dissolvent condensat calent es fa passar a través de la dissolució aquosa, per arribar finalment, amb part del producte extret, al matràs inicial, on el dissolvent orgànic torna a ser vaporitzat, i es repeteix un nou cicle d’extracció, mentre que el producte extret, no volàtil, s’hi va concentrant.

9.2.2. Extracció sòlid-líquid

9.2.2.1. Extracció sòlid-líquid discontínua

La separació d’una mescla de compostos sòlids també es pot dur a terme aprofitant diferències de solubilitat d’aquests compostos en un determinat dissolvent. En el cas favorable d’una mescla de sòlids en la qual un dels compostos és soluble en un determinat dissolvent (normalment un dissolvent orgànic), mentre que els altres són insolubles, podem fer una extracció consistent a afegir aquest dissolvent a la mescla continguda en un vas de precipitats, un matràs o una càpsula de porcellana, en fred o en calent, agitar o triturar amb l’ajut d’una vareta de vidre i separar per filtració la dissolució que conté el producte extret i la fracció insoluble que conté les impureses. Si al contrari, el que és pretén ées dissoldre les impureses de la mescla sòlida, deixant el producte desitjat com a fracció insoluble, el procés, en comptes d’extracció, es denomina rentat.

9.2.2.2. Extracció sòlid-líquid contínua

L’extracció sòlid-líquid sol ser molt més eficient quan es fa de manera contínua amb el dissolvent d’extracció calent en un sistema tancat, utilitzant una metodologia similar a la comentada per a l’extracció líquid-líquid contínua. El procés es basa en la maceració amb dissolvent orgànic, prèviament vaporitzat en un matràs i condensat en un refrigerant, de la mescla sòlida que s’ha d’extreure continguda dins d’una mena de cartutx o bossa de cel·lulosa que es col·loca a la cambra d’extracció. El pas del dissolvent orgànic amb part del producte extret al matràs inicial permet que el mateix dissolvent orgànic torni a ser vaporitzat, de manera que es repeteix un nou cicle d’extracció, mentre que el producte extret, no volàtil, s’hi va concentrant.