从萃取分离方法的演变谈学生创新意识的培养

金 谷，姚奇志，李 娇，刘红瑜，王晓葵

(中国科技大学 化学与材料科学学院，安徽 合肥 230026)

溶剂萃取是经典的化学分离方法，许多物质的标准分析方法中往往都是采用溶剂萃取作为样品前处理的手段。然而，因使用有害的有机溶剂在现行的化学分离中的应用就受到很大的限制。我们知道溶剂萃取方法是分析化学理论基础课内容的一部分，现在的问题是：如何在实验教学中让学生体验这种分离技术又能符合现代化学(绿色化学)的理念？

非有机溶剂萃取是近年来发展起来的一种新型分离方法，如水溶性高分子盐水体系液液萃取就是其中的一种类型。它是利用水溶性高分子在盐水体系能分成两相，从而可实现目标物质在两相的分配。可见，无论从实验原理还是技术手段上和传统的溶剂萃取如出一辙。更重要的是，聚乙二醇是可用于药物和食品的人工合成的高分子，用它替代有害的有机溶剂，其意义非凡。故开设这种实验既能让学生进一步加深对萃取分离的认识和对技术手段的掌握，同时又能让学生开拓眼界和提高对绿色化学的认识。当然，如何设计实验对开好这个实验课起着很重要的作用，下面我们就这方面谈谈我们的认识和具体做法。

设计实验时，应考虑到传统的溶剂萃取方法和非有机溶剂萃取的对比，让学生了解为什么要以及是否能用后者取代前者，从源头上树立绿色化学理念。

对于溶剂萃取体系：两相分别为水相(W)和有机溶剂相(O)，因两者不相容；分离时是将目标物质(需要时，加入萃取剂)从水相转移到有机相，萃取本质是将亲水性物质转化为疏水性的过程，萃取的原理是利用被萃物在两相中分配的差异；当然，反过来称反萃取。非有机溶剂萃取种类较多，现以聚乙二醇(PEG)-盐-水液-液萃取体系为例：两相分别为水相(W)和PEG相(P)，两者本相溶，但在一定条件下可分离成两相；萃取的原理也是利用被萃物在两相中分配的差异。两者最大的差别是后者用PEG代替了有毒的有机溶剂(如苯或氯仿等)，因PEG是可用于食品和药品的人工合成的水溶性高分子，没污染，成本也低。现在关键是要引导学生了解非有机溶剂萃取的特点。为此，我们提出了以下一些问题和学生讨论。

1 问题1：PEG如何和水成为液-液两相？

聚乙二醇，英文简称PEG，结构式HOCH2[CH2OCH2]nCH2OH或H[OCH2CH2]nOH。

PEG溶于水和醇、酯、乙二醇、醚等，不溶于脂肪烃。 PEG在水溶液中的状态，见图1。

图1 PEG溶于水时的存在形态

可见，PEG是通过和水生成多个氢键溶于水。但氢键较弱(约7 Kcal/mol)，在加热和加盐的情况下，氢键断开，PEG就会脱离水，生成PEG相。PEG水溶液分相后的存在形态见下图2。

图2 PEG与水分层后的存在形态

PEG与水分层的实验操作示意图，见图3。

图3 PEG-H2O分相示意图

2 问题2 钴如何被萃取到PEG相？

从PEG水溶液分层原理可知，加热或加盐使PEG难以溶于水而分层。不过，PEG水溶液虽分层，但仍是两个含水相，其中一个是水相(含少量PEG)，另一个是PEG相(含一定量的水)。Co2+在水中是以水合离子形式存在，它在水中有很好的稳定性，故难以被萃到PEG相。为了改变这种状况，可对Co2+进行改性，如亚硝基R盐(类似于溶剂萃取中的萃取剂)，由于形成Co2+-Rn络合物，R盐中含有多个O，PEG中也含有多个O，它们与水都能形成多个氢键，再加上极性相近，按照"相似相溶"的原则，以H2O为媒介，它们之间很容易结合在一起，从而实现Co2+到PEG相的转移。图4是萃取实验示意图。

图4 PEG-H2O分相萃取钴示意图

3 问题3：钴如何与其它金属离子分离？

萃取是一种分离方法，也即存在目标物质与其它共存离子分离的问题。本实验中，分离结果主要取决于改性剂(萃取剂)的选择。通过文献调研发现，亚硝基R盐虽然和许多过渡金属离子络合，但相比之下，与Co2+的络合能力明显要强于其它金属离子，利用这个特性，可采用的策略是：现在弱酸性pH值=5.0左右，将Co2+和其它金属离子生成稳定的络合物，然后再调H+ 浓度约到0.3mol/L，此时其它金属络合物均被破坏，而Co2+的络合物仍保持稳定不变，也即此时只有Co2+-Rn络合物能被萃到PEG相，而其它金属离子以水合离子形式存在水溶液中，图5是分离过程示意图。

图5 Co2+与其它金属离子分离原理示意图

4 问题4：如何评价钴萃取分离情况？

萃取完成后，对分离效果进行评价也是必须的。由于Co2+-Rn是有色络合物，故可通过光度法直接测定PEG相。本实验的另一个优势就是PEG相很稳定，振荡过程中不会产生大量气体，也不像溶剂萃取光度法中的溶剂易挥发，影响测定稳定性；或采用反萃，增加工作难度和误差。

5 结语

分光光度法也是基础分析化学教学内容之一，现由于受学时限制，理论课基本不上。通过本实验，学生不仅可进一步加深对溶剂萃取的认识，而且也可了解光度分析的基本做法。

化学分析和光度分析代表着两种不同的定量方式，学生往往不太了解它们之间的关联，经常张冠李戴，缺乏正确的定量概念。为此，本实验的开设可增强学生对光度法的认识，一方面学习如何建立光度分析方法，另一方面也了解化学分析和仪器分析定量的区别。

为了进一步拓展学生的科研能力，可提出相关问题与学生交流，比如：

(1)除PEG外，有无其它试剂可取代PEG作为非有机溶剂萃取的溶剂，若有情况会有何不同？

(2)液-液萃取与液-固萃取有何不同？

(3)液-液萃取分离与液膜分离有何不同？

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