• No results found

Separation by Solvent Extraction

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2022

Share "Separation by Solvent Extraction"

Copied!
8
0
0

Loading.... (view fulltext now)

Full text

(1)

Experiment 

Separation by Solvent Extraction

 

 

Objectives 

  To separate a mixture consisting of a carboxylic acid and a neutral compound by using  solvent extraction techniques. 

 

Introduction 

  Frequently,  organic  chemists  must  separate  an  organic  compound  from  a  mixture  of  compounds,  often  derived  from  natural  sources  or  products  of  synthetic  reactions.  One  technique used to separate the mixture compounds is called extraction. Extraction is a process  that selectively dissolves one or more of the mixture components into an appropriate solvent. 

The solution of these dissolved compounds is often referred to as the extract.  

  Extraction processes include removal of soluble compounds from a solid matrix, such as  in  the  brewing  of  coffee  or  tea,  or  in  decaffeinating  coffee  with  liquid  carbon  dioxide.  In  the  organic  chemistry  laboratory,  however,  extraction  almost  always  refers  to  the  transfer  of  compounds from one liquid solvent to another. 

  A compound can be separated from impurities in a solution by extracting the compound  from  the  original  (or  first)  solvent  into  a  second  solvent.  For  the  process  to  be  selective,  the  compound  must  be  more  soluble  in  the  second  solvent  than  in  the  first  solvent,  and  the  impurities must be insoluble in the second solvent. Additionally, the two selected solvents must  be immiscible, or not soluble in one another, so that they produce two separate solvent layers. 

After dissolving the mixture in the first solvent, the solution is added to a second solvent. The  two  layers  are  vigorously  mixed  to  maximize  the  surface  area  between  them.  This  mixing  facilitates  the  transfer  of  a  dissolved  compound  from  one  solvent  layer  to  another.  Once  the  transfer  process  is  complete,  the  layers  are  again  allowed  to  form,  as  shown  in  Figure  1. 

Separation of the two layers then completes the separation of the desired compound from the  impurities. 

 

(2)

   

  Washing  is  the  reverse  process,  in  which  the  impurities  are  removed  to  the  second  solvent, leaving the desired compound in the original solvent, as shown in Figure 2. 

  Extractions  using  large  quantities  of  solvents,  tens  or  hundreds  of  milliliters,  require  a  separatory funnel, as shown in Figure 3. The solvent layers are mixed by shaking the separatory  funnel.  Then  the  layers  are  allowed  to  reform.  The  bottom  layer  is  drained  through  the  stopcock; the top layer is poured from the top of the separatory funnel. 

   

 

           

Figure 3.  Separatory funnel for extractions 

(3)

  The first requirement in the extraction process is to select two immiscible solvents. One  solvent, usually aqueous (water‐based), should be polar in nature. The second solvent should  be nonpolar and might be hydrocarbon, ether, or chlorinated solvent, such as dichloromethane. 

When  the  two  immiscible  solvents  are  placed  into  a  container,  two  liquid  layers  are  formed. 

The more dense solvent is always the bottom layer. 

  It  is  important  to  identify  the  solvent  in  each  layer.  Hydrocarbons  and  ethers  are  less  dense  than  water  or  the  dilute  aqueous  solutions  used  in  extractions.  When  one  of  these  nonpolar solvents is used, the water layer is the bottom layer, as shown in Figure 4. 

  However, dichloromethane is denser than water. When dichloromethane is used as the  nonpolar solvent, the water layer will be the top layer, as shown in Figure 5.  

 

        

 

  Although the identity of each layer can be established from the density of each solvent,  their identities should be confirmed. To confirm the identities of the layers, one or two drops of  water are added just below the surface of the top layer. If the drops of water fall through the  top layer to the layer below, then the water layer is the bottom one. It is a good practice to  save all layers in labeled containers until the experiment is complete and the desired product  is isolated. 

  Often the two solvents will not completely separate after shaking, due to the formation  of an emulsion at the interface between them. An emulsion is a suspension of small droplets of  one liquid in another liquid. Emulsions are generally opaque or cloudy in appearance and are  often mistaken as a third layer. 

  The small size of the droplets in an emulsion causes the separation of the two solvents  to  take  place  very  slowly.  Several  procedures  may  be  helpful  to  facilitate  this  separation.  For  example, gentle swirling of the container, addition of a few drops of saturated aqueous sodium 

(4)

difficult  cases,  it  may  be  necessary  to  filter  the  mixture  to  remove  small  solid  particles  that  promote emulsion formation. 

  A  simple,  but  useful,  guide  to  solubility  is  “like  dissolves  like”.  That  is,  nonpolar  compounds, including organic compounds, are more soluble in nonpolar solvents than in polar  solvent. On the other hand, ionic and polar compounds are more soluble in polar solvents, such  as water. These solubility differences can be exploited to separate nonpolar compounds from  ionic or polar compounds. 

  For example, synthetic reactions often produce ionic, inorganic salts as by‐products of  the  desired  nonpolar  organic  product.  In  such  cases,  these  salts  are  removed  by  washing  the  nonpolar solvent with water. The organic compound remains dissolved in the nonpolar solvent. 

  Some organic compounds are sufficiently polar to be quite soluble in water. Extraction  of  such  polar  compounds  into  a  nonpolar  solvent  is  often  difficult.  The  process  can  be  facilitated by using the technique called salting out. Inorganic salts, such as NaCl, are dissolved  in  water  to  reduce  the solubility  of  the  organic  compound  in  the  aqueous  layer.  Under  these  conditions, the organic compound preferentially dissolves in the nonpolar layer. 

  Extraction  is  a  particularly  effective  means  of  separating  organic  compounds  if  one  compound  in  the  mixture  can  be  chemically  converted  to  an  ionic  form.  The  ionic  form  is  soluble in an aqueous layer and can be extracted into it. Other non‐ionized organic compounds  in the mixture will remain dissolved in the nonpolar solvent layer. Separation of the two layers  results in the separation of the dissolved compounds. 

  Ionic  forms  of  some  organic  compounds  can  be  produced  by  reacting  them  with  aqueous  acids  or  bases  (Figure  6).  Treatment  of  organic  acids  with  bases  such  as  sodium  hydroxide  (NaOH)  converts  these  acids  to  water‐soluble  anions.  Reacting  basic  amines  with  dilute  aqueous  acid  solutions  such  as  hydrochloric  acid  (HCl)  converts  the  amines  to  water‐

soluble cations. 

 

Figure 6. Conversion of organic compounds to ionic forms by reaction with base or acid 

(5)

  The  extent  to  which  an  acid‐base  reaction  proceeds  to  completion  depends  upon  the  relative  acidity  and  basicity  of  the  reactants  and  products.  Reactions  occur  so  that  stronger  acids  and  bases  react  to  produce  weaker  conjugate  bases  and  acids.  Recall  that  the  pKa  is  a  measure of the acidity of an acid, as shown in Equation 1. 

 

  Stronger acids have smaller pKa’s and their conjugate bases are inherently weaker. The  position of an acid‐base equilibrium can then be predicted from a knowledge of the pKa’s of the  acids involved. Stronger acids, those with a smaller pKa, will react with the conjugate bases of  weaker acids, those with a larger pKa. 

  An analysis of pKa’s indicates that aqueous NaOH can be used to extract both p‐toluic  acid  and  p‐tert‐butylphenol  from  a  nonpolar  solvent,  as  shown  in  Equation  2  and  3.  The  stronger base, OH, removes a hydrogen ion, H+, from p‐toluic acid to form the salt, p‐toluate. 

The polar salt is soluble in aqueous solution. Both OH and p‐toluate are bases. The pKa of 16  indicates that OH is a stronger base than p‐toluate, with a pKa of 4.2. The stronger base takes  H+ from the weaker base. 

 

   

  Similarly,  OH  is  a  stronger  base  than  p‐tert‐butylphenoxide  ion,  with  a  pKa  of  10.2. 

Therefore,  OH  takes  H+  from  p‐tert‐butylphenol  to  form  the  water  soluble  p‐tert‐

butylphenoxide ion.  

 

   

  Sodium hydrogen carbonate (NaHCO3), with a pKa of 6.4, is a weaker base than p‐tert‐

butylphenoxide ion, so HCO3 will not take H+ from p‐tert‐butylphenol, as shown in Equation 4. 

As a results p‐tert‐butylphenol is not converted to a salt in aqueous sodium hydrogen carbonate  and does not become water soluble. 

(6)

   

  Although  aqueous  NaHCO3  is  not  sufficiently  basic  to  react  with  p‐tert‐butylphenol,  it  will react with p‐toluic acid to form the water soluble p‐toluate, as shown in Equation 5. 

 

    The p‐toluic acid and p‐tert‐butylphenol can be recovered by adding HCl to the aqueous  solutions. The p‐toluate and p‐tert‐butylphenoxide ions are stronger bases than is Cl, so each  one takes H+ from HCl. The acid forms are not water soluble and, therefore, precipitate from  solution. 

  The procedure you will use in this experiment exploits the differences in these reactions  to separate salicylic acid and acetanilide from the nonpolar solvent in which they are dissolved. 

First, you will extract only salicylic acid into NaHCO3 solution. Since acetanilide is neutral and so  does  not  react  with  NaHCO3,  it  remains  dissolved  in  the  nonpolar  solvent.  Then,  you  will  add  HCl  to  the  aqueous  layer  to  precipitate  the  water‐insoluble  salicylic  acid.  You  will  isolate  the  precipitates from the solutions by vacuum filtration, then air dry them. To recover acetanilide,  you  will  dry  the  nonpolar  layer  with  anhydrous  sodium  sulfate  (Na2SO4)  and  evaporate  the  solvent in a fume hood. Finally, you will recrystallize the acetanilide.  

  To  facilitate  the  understanding  of  the  experimental  concept,  each  student  should  prepare a flowchart by filling in the blanks with the names or structures of the compounds prior  to your lab session (next page). 

   

     

(7)

Laboratory flowchart 

   

Experimental Procedure 

1) Perform a leak test on your separatory funnel by adding some water, put on the cap, and  close the stopcock. Shake and place the funnel on a support ring. If there is a leak, consult  your instructor. 

2) Obtain a 1:1 mixture of salicylic acid and acetanilide from your instructor.  

3) Weigh the bag containing this mixture and transfer the mixture into the separatory funnel. 

Re‐weigh the empty bag and calculate the weight of the mixture. 

4) Place 10 mL of ethyl acetate in the separatory funnel. Swirl the funnel until all of the solid  compounds dissolve. 

5) Add 5 mL of 10% NaHCO3 solution. Put on the cap and shake the funnel carefully for a few  seconds  as  demonstrated  by  your  instructor.  (*Remember  to  hold  the  separatory  funnel  with  both  hands  and  vent  it  frequently  with  the  stopcock  pointed  upward  and  away  from  other people.) Settle for a few minutes and drain the aqueous layer into a beaker. 

(8)

6) Extract  the  ethyl  acetate  layer  with  another  portion  of  5  mL  of  10%  NaHCO3  solution. 

Combine  the  aqueous  layers  into  the  same  beaker.  Leave  the  ethyl  acetate  layer  in  the  separatory funnel. 

7) Chill  the  combined  aqueous  layer  in  an  ice‐water  bath.  Acidify  it  by  slow  addition  of  concentrated HCl solution. Notice that foaming and precipitation occur. Continue to add HCl  until no more solid is produced.  

8) Filter the precipitate, transfer onto a pre‐weighed watch glass, and dry it on a steam bath. 

(Which compound should be obtained at this stage?) 

9) Add 10 mL of saturated NaCl solution into the ethyl acetate layer (in the separatory funnel)  to  wash  out  polar  impurities.  Shake  the  funnel  and  settle  for  a  few  minutes.  Drain  and  discard the aqueous layer. Transfer the ethyl acetate layer into an Erlenmeyer flask. 

10) Dry the ethyl acetate layer with anhydrous sodium sulfate. Decant the solution into a pre‐

weighed ceramic evaporating dish. 

11) Evaporate the ethyl acetate on a steam bath. (Which compound should be obtained at this  stage?) 

12) Calculate the recovery percentages of each compound. 

13) Determine the melting points of the separated compounds. 

 

Laboratory Safety Precaution 

1) Wear safety goggles and lab coat at all times while working in the laboratory. 

2) Acetanilide  is  toxic  and  irritating.  Concentrated  hydrochloric  acid  is  toxic  and  corrosive. 

Magnesium sulfate is irritating and hygroscopic. 

3) Wash your hands thoroughly with soap or detergent before leaving the laboratory. 

   

References

Related documents

Although motherboard makers increasingly use solid capacitors free of electrolyte, flawed electrolytic capacitors are still one of the main reasons for

Original caption states: "COAST GUARD EMPLOYS AIRBORNE LIFEBOAT IN AIR SEA RESCUE OPERATIONS: Pictured in flight is Coast Guard plane (B-17 series aircraft) with

For Nelson, the “Post-Soul” era debut in 1980 with two events: the election of Ronald Reagan and Eddie Murphy’s arrival on Saturday Night Live, “elevating two men who truly

Okoli 70 % bančnega sektorja, vključno s 100 % komercialnih bank, je bilo zdravega in ni potreboval državne pomoči;  število bank se je od leta 2009 do leta 2013 zmanjšalo s 50

Contains a thorough review of the current literature covering the different factors related to the research topic including: artificial turf surfaces (including surface

To assess the ability of the compounds to pass the BBB in vivo and subsequently bind to amyloid, solutions of each compound were injected intravenously in living transgenic

A big chunk of time to let the installation complete – as in, overnight (it  really takes a long time unless you pare down the number of packages 

This study explored how English learners (ELs) acquire academic language to obtain reading comprehension skills to become proficient readers in a classroom setting.. These