從萃取分離方法的演變談學生創新意識的培養

金 谷，姚奇志，李 嬌，劉紅瑜，王曉葵

(中國科技大學 化學與材料科學學院，安徽 合肥 230026)

溶劑萃取是經典的化學分離方法，許多物質的標準分析方法中往往都是采用溶劑萃取作為樣品前處理的手段。然而，因使用有害的有機溶劑在現行的化學分離中的應用就受到很大的限制。我們知道溶劑萃取方法是分析化學理論基礎課內容的一部分，現在的問題是：如何在實驗教學中讓學生體驗這種分離技術又能符合現代化學(綠色化學)的理念？

非有機溶劑萃取是近年來發展起來的一種新型分離方法，如水溶性高分子鹽水體系液液萃取就是其中的一種類型。它是利用水溶性高分子在鹽水體系能分成兩相，從而可實現目標物質在兩相的分配。可見，無論從實驗原理還是技術手段上和傳統的溶劑萃取如出一轍。更重要的是，聚乙二醇是可用于藥物和食品的人工合成的高分子，用它替代有害的有機溶劑，其意義非凡。故開設這種實驗既能讓學生進一步加深對萃取分離的認識和對技術手段的掌握，同時又能讓學生開拓眼界和提高對綠色化學的認識。當然，如何設計實驗對開好這個實驗課起著很重要的作用，下面我們就這方面談談我們的認識和具體做法。

設計實驗時，應考慮到傳統的溶劑萃取方法和非有機溶劑萃取的對比，讓學生了解為什么要以及是否能用后者取代前者，從源頭上樹立綠色化學理念。

對于溶劑萃取體系：兩相分別為水相(W)和有機溶劑相(O)，因兩者不相容；分離時是將目標物質(需要時，加入萃取劑)從水相轉移到有機相，萃取本質是將親水性物質轉化為疏水性的過程，萃取的原理是利用被萃物在兩相中分配的差異；當然，反過來稱反萃取。非有機溶劑萃取種類較多，現以聚乙二醇(PEG)-鹽-水液-液萃取體系為例：兩相分別為水相(W)和PEG相(P)，兩者本相溶，但在一定條件下可分離成兩相；萃取的原理也是利用被萃物在兩相中分配的差異。兩者最大的差別是后者用PEG代替了有毒的有機溶劑(如苯或氯仿等)，因PEG是可用于食品和藥品的人工合成的水溶性高分子，沒污染，成本也低。現在關鍵是要引導學生了解非有機溶劑萃取的特點。為此，我們提出了以下一些問題和學生討論。

1 問題1：PEG如何和水成為液-液兩相？

聚乙二醇，英文簡稱PEG，結構式HOCH2[CH2OCH2]nCH2OH或H[OCH2CH2]nOH。

PEG溶于水和醇、酯、乙二醇、醚等，不溶于脂肪烴。 PEG在水溶液中的狀態，見圖1。

圖1 PEG溶于水時的存在形態

可見，PEG是通過和水生成多個氫鍵溶于水。但氫鍵較弱(約7 Kcal/mol)，在加熱和加鹽的情況下，氫鍵斷開，PEG就會脫離水，生成PEG相。PEG水溶液分相后的存在形態見下圖2。

圖2 PEG與水分層后的存在形態

PEG與水分層的實驗操作示意圖，見圖3。

圖3 PEG-H2O分相示意圖

2 問題2 鈷如何被萃取到PEG相？

從PEG水溶液分層原理可知，加熱或加鹽使PEG難以溶于水而分層。不過，PEG水溶液雖分層，但仍是兩個含水相，其中一個是水相(含少量PEG)，另一個是PEG相(含一定量的水)。Co2+在水中是以水合離子形式存在，它在水中有很好的穩定性，故難以被萃到PEG相。為了改變這種狀況，可對Co2+進行改性，如亞硝基R鹽(類似于溶劑萃取中的萃取劑)，由于形成Co2+-Rn絡合物，R鹽中含有多個O，PEG中也含有多個O，它們與水都能形成多個氫鍵，再加上極性相近，按照"相似相溶"的原則，以H2O為媒介，它們之間很容易結合在一起，從而實現Co2+到PEG相的轉移。圖4是萃取實驗示意圖。

圖4 PEG-H2O分相萃取鈷示意圖

3 問題3：鈷如何與其它金屬離子分離？

萃取是一種分離方法，也即存在目標物質與其它共存離子分離的問題。本實驗中，分離結果主要取決于改性劑(萃取劑)的選擇。通過文獻調研發現，亞硝基R鹽雖然和許多過渡金屬離子絡合，但相比之下，與Co2+的絡合能力明顯要強于其它金屬離子，利用這個特性，可采用的策略是：現在弱酸性pH值=5.0左右，將Co2+和其它金屬離子生成穩定的絡合物，然后再調H+ 濃度約到0.3mol/L，此時其它金屬絡合物均被破壞，而Co2+的絡合物仍保持穩定不變，也即此時只有Co2+-Rn絡合物能被萃到PEG相，而其它金屬離子以水合離子形式存在水溶液中，圖5是分離過程示意圖。

圖5 Co2+與其它金屬離子分離原理示意圖

4 問題4：如何評價鈷萃取分離情況？

萃取完成后，對分離效果進行評價也是必須的。由于Co2+-Rn是有色絡合物，故可通過光度法直接測定PEG相。本實驗的另一個優勢就是PEG相很穩定，振蕩過程中不會產生大量氣體，也不像溶劑萃取光度法中的溶劑易揮發，影響測定穩定性；或采用反萃，增加工作難度和誤差。

5 結語

分光光度法也是基礎分析化學教學內容之一，現由于受學時限制，理論課基本不上。通過本實驗，學生不僅可進一步加深對溶劑萃取的認識，而且也可了解光度分析的基本做法。

化學分析和光度分析代表著兩種不同的定量方式，學生往往不太了解它們之間的關聯，經常張冠李戴，缺乏正確的定量概念。為此，本實驗的開設可增強學生對光度法的認識，一方面學習如何建立光度分析方法，另一方面也了解化學分析和儀器分析定量的區別。

為了進一步拓展學生的科研能力，可提出相關問題與學生交流，比如：

(1)除PEG外，有無其它試劑可取代PEG作為非有機溶劑萃取的溶劑，若有情況會有何不同？

(2)液-液萃取與液-固萃取有何不同？

(3)液-液萃取分離與液膜分離有何不同？

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