萃取及干燥

萃取萃取又称溶剂萃取或液液萃取（以区别于固液萃取,即浸取），亦称抽提（通用于石油炼制工业），是一种用液态的萃取剂处理与之不互溶的双组分或多组分溶液，实现组分分离的传质分离过程，是一种广泛应用的单元操作。 利用相似相溶原理，萃取有两种方式：   液-液萃取，用选定的溶剂分离液体混合物中某种组分，溶剂必须与被萃取的混合物液体不相溶，具有选择性的溶解能力，而且必须有好的热稳定性和化学稳定性，并有小的毒性和腐蚀性。如用苯分离煤焦油中的酚；用有机溶剂分离石油馏分中的烯烃； 用CCl4萃取水中的Br2.      固-液萃取，也叫浸取，用溶剂分离固体混合物中的组分，如用水浸取甜菜中的糖类；用酒精浸取黄豆中的豆油以提高油产量；用水从中药中浸取有效成分以制取流浸膏叫“渗沥”或“浸沥”。   虽然萃取经常被用在化学试验中，但它的操作过程并不造成被萃取物质化学成分的改变（或说化学反应），所以萃取操作是一个物理过程。   萃取是有机化学实验室中用来提纯和纯化化合物的手段之一。通过萃取，能从固体或液体混合物中提取出所需要的化合物。这里介绍常用的液－液萃取。 原理利用化合物在两种互不相溶（或微溶）的溶剂中溶解度或分配系数[1]的不同，使化合物从一种溶剂内转移到另外一种溶剂中。经过反复多次萃取，将绝大部分的化合物提取出来。   分配定律是萃取方法理论的主要依据，物质对不同的溶剂有着不同的溶解度。同时，在两种互不相溶的溶剂中，加入某种可溶性的物质时，它能分别溶解于两种溶剂中，实验证明，在一定温度下，该化合物与此两种溶剂不发生分解、电解、缔合和溶剂化等作用时，此化合物在两液层中之比是一个定值。不论所加物质的量是多少，都是如此。属于物理变化。用公式表示。   C_A/C_B=K   C_A，C_B分别表示一种化合物在两种互不相溶地溶剂中的量浓度。K是一个常数，称为“分配系数”。   有机化合物在有机溶剂中一般比在水中溶解度大。用有机溶剂提取溶解于水的化合物是萃取的典型实例。在萃取时，若在水溶液中加入一定量的电解质（如氯化钠），利用“盐析效应”以降低有机物和萃取溶剂在水溶液中的溶解度，常可提高萃取效果。   要把所需要的化合物从溶液中完全萃取出来，通常萃取一次是不够的，必须重复萃取数次。利用分配定律的关系，可以算出经过萃取后化合物的剩余量。   设：V为原溶液的体积   w0为萃取前化合物的总量   w1为萃取一次后化合物的剩余量   w2为萃取二次后化合物的剩余量   w3为萃取n次后化合物的剩余量   S为萃取溶液的体积   经一次萃取，原溶液中该化合物的浓度为w1/V；而萃取溶剂中该化合物的浓度为(w0-w1)/S；两者之比等于K，即：   w1/V =K w1=w0 KV   (w0-w1)/S KV+S   同理，经二次萃取后，则有   w2/V =K 即   (w1-w2)/S   w2=w1 KV =w0 KV   KV+S KV+S   因此，经n次提取后:   wn=w0 ( KV )        KV+S   当用一定量溶剂时，希望在水中的剩余量越少越好。而上式KV/(KV+S)总是小于1，所以n越大，wn就越小。也就是说把溶剂分成数次作多次萃取比用全部量的溶剂作一次萃取为好。但应该注意，上面的公式适用于几乎和水不相溶地溶剂，例如苯，四氯化碳等。而与水有少量互溶地溶剂乙醚等，上面公式只是近似的。但还是可以定性地指出预期的结果。 应用萃取与其他分离溶液组分的方法相比，优点在于常温操作，节省能源，不涉及固体、气体，操作方便。萃取在如下几种情况下应用，通常是有利的：①料液各组分的沸点相近，甚至形成共沸物，为精馏所不易奏效的场合，如石油馏分中烷烃与芳烃的分离，煤焦油的脱酚；②低浓度高沸组分的分离，用精馏能耗很大，如稀醋酸的脱水；③多种离子的分离，如矿物浸取液的分离和净制，若加入化学品作分部沉淀，不但分离质量差,又有过滤操作，损耗也大；④不稳定物质（如热敏性物质）的分离，如从发酵液制取青霉素。萃取的应用，目前仍在发展中。元素周期表中绝大多数的元素，都可用萃取法提取和分离。萃取剂的选择和研制，工艺和操作条件的确定，以及流程和设备的设计计算，都是开发萃取操作的课题。

萃取注意事项：

1.      单一萃取溶剂不能与水混溶，在水中溶解度很小，或不溶；不能用甲醇、乙醇、THF等单独萃取；不能用高沸点的溶剂萃取；

2.      要充分知道萃取溶剂的比重，知道那层是有机相；四氯化碳、氯仿和二氯甲烷的比重>水> 甲苯、苯、石油醚、乙醚、甲基叔丁基醚、乙酸乙酯，切忌把产物倒掉。在没确定产物拿到之前，水相和有机相都不能扔掉；

3.      若后处理时有大量固体析出，宜先过滤，再分层萃取；

4.      产物在水相中乳化时，通常加入饱和的氯化钠水溶液，静置促使分层；有时硅藻土过滤也可以破乳。

5.      萃取时要少量多次，但萃取溶剂与水溶液比例不能太小，通常控制在0.2~1之间；

6.      萃取时要记得放气，避免冲液；

7.      对于在水中溶解度很大的物质，萃取时一般用混合溶剂，如二氯甲烷或乙酸乙酯与甲醇（或其余小分子醇）或THF进行搭配。

物质的干燥方法

除去固体、液体或气体中所含的少量水分和有机溶剂的操作过程叫干燥。许多化学实验必须在无水条件下进行，这就要求所用的原料、溶剂和仪器都要干燥，实验过程中还要防止空气中的水气进入反应器， 否则将影响产品的质量和产率。有机化合物在蒸馏前必须进行干燥，以防加热使某些化合物发生水解，或与水形成共沸混合物。测定化合物的物理常数，对化合物进行定性、定量分析，利用色谱、紫外光谱、红外光谱、核磁共振谱、质谱等方法对化合物进行结构分析和测定，都必须使化合物完全处于干燥状态，才能得到正确的结果。

2.2.1 基本原理

干燥方法分为物理方法和化学方法。

物理方法有自然晾干、烘干、真空干燥、分馏、共沸蒸馏及吸附等。此外，离子交换树脂和分子筛也常用于脱水干燥。离子交换树脂是一种不溶于水、酸、碱和有机物的高分子聚合物。分子筛是多种硅铝酸盐晶体。因为它们内部都有许多空隙或孔穴，可以吸附水分子。加热后，又可释放出水分子，故可反复使用。

化学方法是用干燥剂来进行脱水。干燥剂按其脱水作用可分为两类：第一类能与水可逆地生成水合物，如氯化钙、硫酸镁、硫酸钠等；第二类与水反应后生成新的化合物，如金属钠、五氧化二磷等。实验室应用较广的是第一类干燥剂。

2.2.2 液体的干燥

（1）利用分馏或共沸混合物去水

对于不与水生成共沸混合物的液体有机物，例如甲醇和水的混合物，由于沸点相差较大，用分馏即可完全分开。有时可以利用某些有机物与水形成共沸混合物的特性，向待干燥的有机物中加入另一有机物，利用此有机物与水形成最低共沸物的性质，在蒸馏时逐渐将水带出，从而达到干燥的目的。例如，工业上制备无水乙醇的方法之一就是将苯加入95%的乙醇中，利用乙醇、水和苯三者形成共沸混合物的特性经共沸蒸馏将水带出去。

（2）使用干燥剂脱水

①干燥剂的选择

干燥液体时，一般是将干燥剂直接投入其中。因此要求干燥剂不能与被干燥的液体发生化学反应，不能溶解于被干燥液体中。例如酸性物质不能用碱性干燥剂。有的干燥剂能与某些待干燥的物质形成络合物， 如氯化钙易与醇、胺及某些醛、酮形成络合物；氧化钙、氢氧化钠等强碱性干燥剂能催化某些醛、酮的缩合及氧化等反应，使酯类发生水解反应等，故不能用来干燥这些物质。

选择干燥剂时还要考虑干燥剂的吸水容量和干燥性能。吸水容量是指单位质量的干燥剂所吸收的水量。吸水容量越大，干燥剂吸收水分越多。例如硫酸钠最多能形成10个结晶水的水合物，其吸水容量为1.25；氯化钙最多能形成6个结晶水的水合物，其吸水容量为0.97，所以硫酸钠的吸水容量大。干燥效能是指达到平衡时被干燥液体的干燥程度。对于形成水合物的无机盐干燥剂，常用吸水后结晶水的蒸气压表示。干燥剂吸水形成水合物是一个平衡过程，形成不同的水合物平衡时有不同的水蒸气压，水蒸气压越大，干燥效果越差。干燥含水量较多而又不易干燥的化合物时，常先用吸水容量较大的干燥剂除去大部分水分，然后再用干燥效能较强的干燥剂除去残留的微量水分。选用时还应注意干燥剂的干燥速度和价格等因素。常用干燥剂的性能和应用范围见表2-1：

表2.1  常用干燥剂的性能和应用范围

干燥剂	吸水作用	吸水容量	干燥 效能	干燥速度	应用范围
氯化钙	形成CaCl2·nH2O n=1，2，4，6	0.97 （以CaCl2·6H2O计）	中等	较快，但吸水后表面为薄层液体所盖，故放置时间要长些为宜。	能与醇、酚、酰胺及某些醛、酮形成络合物。工业品中可能含氢氧化钙，故不能用来干燥酸类。
硫酸镁	形成MgSO4·nH2O n=1，2，4，5，6，7	1.05 （以MgSO4·7H2O计）	较弱	较快	中性，应用范围广，可代替CaCl2，并可用以干燥酯、醛、酮、腈、酰胺等不能用CaCl2干燥的化合物。
硫酸钠	Na2SO4·10H2O	1.25	弱	缓慢	中性，一般用于有机液体的初步干燥。
硫酸钙	2CaSO4·H2O	0.06	强	快	中性，常与硫酸镁（钠）配合，作最后干燥之用。
碳酸钾	K2CO3·1/2H2O	0.2	较弱	慢	弱碱性，用于干燥醇、酯、酮、胺及杂环等碱性化合物，不能用于干燥酸、酚及其他酸性化合物。
氢氧化钾（钠）	溶于水	—	中等	快	强碱性，用于干燥胺、杂环等碱性化合物，不能用于干燥醇、酯、醛、酮、酸、酚等。
金属钠	Na+ H2O= NaOH+1/2H2	—	强	快	限于干燥醚、烃类中痕量水分。用时切成小块或压成钠丝使用。
氧化钙	CaO+H2O=Ca（OH）2	—	强	较快	适于干燥低级醇类。
五氧化二磷	P2O5+ 3H2O= 2H3PO4	—	强	快，但吸水后表面为粘浆覆盖，操作不便。	适于干燥醚、烃、卤代烃、腈等中的痕量水分。不适用于醇、酸、胺、酮等。
分子筛	物理吸附	约0.25	强	快	适用于各类有机化合物的干燥。

②干燥剂的用量

可根据干燥剂的吸水容量和水在液体中的溶解度来估算干燥剂的用量。由于在萃取或水洗时，难以把水完全分净，因此一般情况下，干燥剂的实际用量都大于理论值。另外，对于极性物质和含亲水性基团的液体化合物，干燥剂需过量一些。但干燥剂的用量不宜过多，因干燥剂表面会吸附部分产品，造成产品的损失。由于液体中的水分含量不等，干燥剂的质量、颗粒大小和干燥时的温度不同，以及干燥剂也可能吸收一些副产物等，因此很难规定干燥剂的具体用量，大体上说，每10mL液体约需0.5～1g干燥剂。

③实验操作

将被干燥液体的水分尽可能分离干净，分液时若有一些絮状物，宁可弃掉。将液体放于一个干燥的锥形瓶中，先加入少量干燥剂，塞好塞子，振摇锥形瓶，如果干燥剂已附着在瓶底并粘结在一起，说明干燥剂用量不够，应再添加一些，直到瓶中明显看到松动的干燥剂颗粒，再放置一段时间（至少半小时）。有时，加入干燥剂后会出现少量水层，这时应小心地用滴管吸去水层，再加入新的干燥剂。应当注意，加入干燥剂后液体由浑浊变澄清并不说明该液体已经干燥。透明与否，与化合物在水中的溶解度有关。

   块状干燥剂如氯化钙，使用时应破碎成黄豆大小的颗粒，颗粒太大则表面积小，吸水缓慢；颗粒太小则会吸附较多液体，且难以过滤分离。

干燥剂吸水形成水合物的过程是个可逆过程，高温时水合物会失水，降低干燥性能。因此，蒸馏前必须把干燥剂滤掉。某些干燥剂（如金属钠、五氧化二磷）与水生成比较稳定的产物，有时不必过滤，可直接进行蒸馏。

2.2.3  固体的干燥

固体物质的干燥，主要是除去残留在固体上的少量低沸点溶剂，如水、乙醇、乙醚、丙酮和苯等。

（1）自然晾干

自然干燥适用于在空气中稳定、不分解、不吸潮的固体。干燥时，把待干燥的物质放在干燥洁净的表面皿或其他器皿上，薄薄地摊开，上覆滤纸，让其在空气中慢慢晾干。

（2）烘干

对热稳定、不易升华、熔点较高的化合物可以用恒温烘箱或红外干燥箱烘干。应控制好加热温度，以防样品变黄、熔化甚至分解、炭化。含有溶剂的固体可能在低于其熔点温度下熔融。烘干时应经常翻动、以防结块。

（3）干燥器干燥

对于易分解或易升华的固体不能加热干燥，可在干燥器内干燥。常见的干燥器为以下两种。

①普通干燥器（图2.2），盖与缸身之间的平面经过磨砂，在磨砂处涂以润滑油，使之密闭。缸中有多孔瓷板，瓷板下面放置干燥剂，上面放置盛有待干燥样品的表面皿等。

②真空干燥器（图2.3），它的干燥效率较普通干燥器好。真空干燥器上有玻璃活塞，用以抽真空，活塞下端呈弯钩状，口向上，防止在通向大气时因空气流入太快将固体冲散。

使用的干燥剂应按样品所含的溶剂来选择。例如，五氧化二磷可吸水；生石灰可吸水或酸；石蜡片可吸收乙醚、氯仿、四氯化碳和苯等。干燥器中有时同时放置两种干燥剂，如在底部放置浓硫酸，另外将盛有氢氧化钠的器皿放在瓷板上，既可以吸收水又可以吸收酸，效果更佳。

图2.2 普通干燥器   图2.3 真空干燥器

2.2.4  气体的干燥

实验室中产生的气体常常有酸雾、水气和其他杂质。如果实验需要对气体进行净化和干燥，所用的吸收剂、干燥剂应根据不同气体的性质及气体中所含杂质的种类进行选择。通常酸雾可用水除去，水气可用浓硫酸、无水氯化钙等除去，其他杂质亦应根据具体情况分别处理。

气体的净化和干燥是在洗气瓶（图2.4）和干燥塔（图2.5）中进行的。液体处理剂（如水、硫酸等）盛于洗气瓶中，洗气瓶底部有一多孔板，导入气体的玻璃管插入瓶底，气体通过多孔板很好地分散在液体中，增大了两相的接触面积。如果实验室没有洗气瓶，也可以用一带有两塞子的锥形瓶代替。用固体净化气体时采用干燥管或干燥塔。管中或塔内根据具体要求装氢氧化钠、无水氯化钙等固体颗粒，装填时既要均匀，又不能颗粒太细，以免造成堵塞。装填法如图2.5所示。

2.4 洗气瓶图

         2.5 干燥管和干燥塔

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