Análisis de la influencia de la extracción de ácido benzoico

Extracción Fernando Rosero B. y Wilson Cardona G.

Manual de Prácticas de Separaciones Químicas

33

PRACTICA 3

EXTRACCIÓN

3.1. Objetivos

3.1.1. Analizar el efecto que tiene sobre la extracción del acido benzoico cada uno de los siguientes

parámetros: El disolvente, la extracción en una etapa, la extracción en etapas sucesivas, el efecto salino y

cambio del pH.

3.1.2. Comparar y determinar el mejor método y el mejor disolvente para la extracción del acido benzoico.

3.1.3. Comparar los métodos de extracción simple, múltiple y con efecto salino en la separación de yodo de

una solución acuosa.

3.2. Marco teórico

3.2.1 Ley de distribución entre fases

La extracción puede definirse como la separación de uno ó varios componentes de una mezcla por medio

de un disolvente. El método es muy utilizado para separar compuestos orgánicos que se hallan disueltos o

suspendidos en agua.

La técnica consiste en agitar una solución o suspensión que contiene la sustancia que se va a extraer con

un disolvente apropiado, el cual, debe ser inmiscible con el agua, dando lugar a la formación de dos capas

que pueden ser separadas.

La extracción es un fenómeno de difusión, en la cual las fases en contacto son dos disolventes inmiscibles

entre si y el componente común es un soluto que se disuelve diferencialmente entre ambos disolventes

hasta alcanzar una concentración de equilibrio, es decir, el proceso saca el soluto de un disolvente y lo

traslada a otro. Ejemplo: Cuando una solución acuosa del soluto E se trata con una volumen Vo de

disolvente orgánico, parte del soluto migra de la fase acuosa hacia la fase orgánica (ecuación 3.1).

donde Ea = cantidad de la sustancia E en la fase acuosa

Eo = cantidad de la sustancia E en la fase orgánica

La sustancia E se distribuye entre las dos fases inmiscibles hasta alcanzar el equilibrio en una proporción

que depende de la afinidad relativa en cada una de ellas (solubilidad de la sustancia en cada disolvente).

Cuando se alcanza el equilibrio, la relación de las concentraciones del soluto en cada fase es constante e

independiente de la cantidad total de este a una temperatura determinada. La constante de este equilibrio

se conoce como constante de reparto ó coeficiente de distribución y está dada por la relación entre las

solubilidades del componente en ambos disolventes. En adelante asumiremos que a es agua y o es un

disolvente orgánico.

donde KD = constante de distribución

Sa = solubilidad del soluto E en la fase acuosa

So = solubilidad del soluto E en el disolvente orgánico

La ecuación 3.2 hace referencia a una definición ideal para KD. Sin embargo, como los dos disolventes no

son completamente inmiscibles, se debe considerar la relación como una aproximación. Por ejemplo,

ciertos disolventes orgánicos como los alcoholes, ésteres, éteres son capaces de asociarse con el agua a

través de puentes de hidrógeno. Por lo tanto, el valor del coeficiente de distribución se calcula a partir de

las concentraciones de equilibrio (Ecuación 3.3).

Extracción Fernando Rosero B. y Wilson Cardona G.

Manual de Prácticas de Separaciones Químicas

34

Como KD es adimensional, cualquier unidad de concentración puede ser utilizada si las unidades son las

mismas para ambas fases. Ejemplo: Gramos por litro (g/L), partes por millón (p.p.m), molaridad (M).

3.2.2 Parámetros que afectan la extracción

3.2.2.1 Tipo de disolvente

El disolvente seleccionado para la extracción debe:

 Ser inmiscible o bastante insoluble con el disolvente de la solución.

 Tener un coeficiente de distribución favorable para el material a extraer y desfavorable para las

impurezas.

 No reaccionar con los componentes de la mezcla.

 Removerse fácilmente del soluto una vez termine el proceso de extracción. Para solutos poco volátiles el

disolvente debe tener un punto de ebullición bajo.

 Tener densidad diferente al disolvente de la solución para facilitar la formación de las fases. En términos

generales, los hidrocarburos, los alcoholes, los aldehídos, las cetonas, los éteres, etc. de bajo peso

molecular, son más livianos que el agua; los haluros y polihaluros son más densos que el agua.

 No ser tóxico, inflamable, ni costoso.

3.2.2.2. Número de extracciones

a. Extracción en una etapa

La extracción en una etapa consiste en tratar una solución del soluto E con un único volumen de disolvente

extractor.

Ejemplo: El coeficiente de Reparto KD de un soluto, en una mezcla de tetracloruro de carbono - agua (CCCl4 /

CH2O) es 8.0. ¿Qué peso de soluto se extrae en una sola operación por tratamiento de una solución de 9.0 g

de soluto en 100.0 mL de agua con 100.0 mL de tetracloruro de carbono?

Definimos X como el peso en gramos del soluto que se extraerá de la fase acuosa. Teniendo en cuenta la

ecuación 3.3 tenemos:

En la solución acuosa permanecerá solamente 1.0 g del soluto.

Del ejercicio anterior se observa que si se utilizan volúmenes iguales de los dos disolventes, la ecuación se

reduce a una relación de pesos (peso de soluto en la fase orgánica/ peso de soluto en la fase acuosa). Si

se emplea el doble del volumen del disolvente orgánico, manteniendo constante el volumen de agua, la

razón de los pesos del soluto E se duplica, en otras palabras, si se tiene que extraer un soluto de una

solución, la cantidad recuperada de este aumenta si se usan mayores cantidades del disolvente extractor

(corrobore esta afirmación en el ejercicio anterior).

b. Extracción en etapas sucesivas

La extracción de un soluto con un disolvente específico se mejora cuando se aumenta el número de

contactos entre ellos. En otras palabras, es más eficiente extraer un soluto con dos porciones sucesivas de

disolvente que con una sola porción, aun en el caso de emplear volúmenes iguales. Muchos compuestos

orgánicos que contienen oxígeno ó nitrógeno forman puentes de hidrógeno con el agua y se hacen

parcialmente solubles en ella. Para extraer una cantidad apreciable de la sustancia en estas condiciones,

se deben hacer varias extracciones sucesivas.

Teniendo en cuenta el ejemplo anterior, podemos comparar la cantidad de soluto extraída del soluto al

realizar una extracción simple con 100 mL de CCl4 y al realizar una extracción doble al utilizar dos porciones

sucesivas de CCl4 de 50.0 mL cada una:

Primera extracción con 50 mL (1 X 50)

Extracción Fernando Rosero B. y Wilson Cardona G.

Manual de Prácticas de Separaciones Químicas

35

Definimos: X´ = peso de soluto que se extrae en la fase orgánica

9 - X´ = Peso de soluto que queda en la fase acuosa

Teniendo en cuenta la ecuación 3.3 tenemos:

Es decir, en la solución acuosa permanecen 9 – 7.2 = 1.8 g de soluto.

Segunda extracción con 50 mL (1 X 50)

Definimos: X´´ = peso de soluto que se extrae en la fase orgánica

1.8 – X´´ = Peso de soluto que queda sin extraer en el agua

Por lo tanto, al reunir las dos soluciones orgánicas tenemos:

X´ + X´´ = 7.2 g + 1.44 g = 8.64 g

Este valor es superior a los 8.0 g obtenidos al realizar una sola extracción con el mismo volumen de

disolvente orgánico.

Una manera más sencilla de calcular estos valores es a través de la siguiente relación (Ecuación 3.4) en la

cual KD está definido como en la ecuación 3.3.

donde KD = constante de distribución del soluto E entre el disolvente orgánico y agua

T = cantidad total de la sustancia E

n = cantidad de la sustancia E en la fase acuosa después de n extracciones

Va = volumen inicial de la solución acuosa

Vo = volumen del disolvente organico utilizado en cada extracción

n = número de extracciones

Para la extracción simple en cuestión (donde la cantidad total de soluto es de 9 g, el volumen de solución

acuosa es de 100 mL, el volumen de disolvente orgánico es de 100 mL) n es igual a 1. Reemplazando

estos valores en la ecuación 3.4 tenemos:

Entonces la cantidad que se obtiene en la fase orgánica será de 8 g.

Para una extracción doble (donde la cantidad total de soluto es de 9 g, el volumen de solución acuosa es de

100 mL, el volumen de disolvente orgánico utilizado en cada etapa es de 50 mL) n es igual a 2 y si

definimos єn´ como la cantidad de soluto que permanece en la solución acuosa después de la segunda

extracción, tenemos:

Extracción Fernando Rosero B. y Wilson Cardona G.

Manual de Prácticas de Separaciones Químicas

36

Entonces la cantidad que se obtiene en la fase orgánica será de 8.64 g.

Esta ecuación también es útil para determinar el valor de KD si se conoce la cantidad de soluto que se

encuentra en la fase acuosa después de la n-ésima extracción. Esta relación (Ecuación 3.5) se obtiene a

partir de la ecuación 3.4.

3.2.2.3. Efecto salino

Cuando los valores de KD son pequeños el proceso de extracción se vuelve engorroso ya que se requerirían

varias extracciones

...