استخراج کافئین چای - جلسه اول

عنوان پروژه: اصول جداسازی در استخراج کافئین
زمینه: شیمی
مقطع تحصیلی: دبیرستان
تعداد جلسات: 4
خلاصه پروژه: در این پروژه ابتدا با جداسازی مواد به روش استخراج آشنا می شویم. سپس با انجام آزمایش هایی ترکیب کافئین را از یک نمونه چای جداسازی کرده و میزان درصد آن را مشخص میکنیم.

اهداف جلسه:
· آشنایی با علم استخراج
· آشنایی با نحوه جداسازی مواد توسط دکانتور
·  آشنایی با جداسازی مایع-مایع

وسایل مورد نیاز:
· دسترسی به اینترنت
· عینک ایمنی
· ماسک ایمنی
· دکانتور
· روغن
· شیر خوراکی
· دکانتور
· رنگ خوراکی
· استوانه مدرج
· کلروفرم (سمی)

مقدمه:
استخراج یکی از روش های جداسازی است. در استخراج جسمی از یک فاز به فاز دیگر منتقل می شود. یکی از روش های استخراج، تماس دادن محلول های آبی با یک محلول آلی نامحلول در آب است تا مواد آلی از لایه آبی به حلال آلی انتقال پیدا کنند.
روش استخراج مایع - مایع در جدا کردن ترکیب های آلی از مخلوط کاربرد بسیار زیادی دارد. حلالیت حلال مورد استفاده، باید در آب و یا هرماده دیگری که جسم آلی را در خود حل کرده، کم باشد و یااصلا حل نشود. هم چنین حلال باید فرار باشد تا براحتی بتوان آنرا از ترکیب یا ترکیبات آلی استخراج شده، تقطیر نمود. با توجه به مطالب فوق جسم استخراج شونده باید در حلال استخراج کننده به خوبی حل شود و قابلیت انحلال در این حلال خیلی بیشتر از آب باشد. ضمنا حلال استخراج کننده نباید هیچ نوع واکنشی با آب یا مواد استخراج شونده بدهد. مهم ترین حلالی که در استخراج به کار گرفته میشود دی اتیل اتر است که توانائی حل کردن تعداد زیادی از ترکیبات را در خود دارد. دی اتیل اتر نسبت به اکثر ترکیبات بی اثر بوده و به راحتی به وسیله یک تقطیر ساده از مخلوط بازیابی میشود. اما اشکال مهم آن این است که آتش گیر بوده و خیلی زود در هوا محترق می شود.
برای جداسازی مستلزم انتقال جسمی از یک فاز به فاز دیگر است.این روش بر مبنای پخش فاز بنا نهاده شده است .جسم می تواند در بین دو فاز نامحلولی که با آن ها در تماس است پخش متعادلی پیدا کند و نسبت این تعادل بستگی به پایداری نسبی جسم در هر یک از دو فاز دارد.زمانی که دو فاز مایعات مخلوط نشدنی باشند روش استخراج مایع – مایع نامیده می شود.

الف.استخراج مایع – مایع
در بعضی مواقع لازم است برای بازیابی یک جسم آلی از محلول آبی از روش غیر از تقطیر استفاده می شود.یکی از این راه ها تماس دادن محلول آبی با یک حلال غیر قابل امتزاج با آب است.اگر حلال خاصیت جدا سازی را داشته باشد بیشتر مواد آلی از لایه آبی به حلال آلی (غیر قابل امتزاج با آب ) انتقال پیدا می کند.
این روش را که ”جسم حل شده در آب به وسیله یک حلال آلی دیگر جدا می شود” استخراج می نامند.یکی از خواص حلال که برای استخراج به کار برده می شود این است که قابلیت حل شدن آن در آب یا هر ماده دیگری که جسم آلی را در خود حل کرده کم باشد و یا اصلا حل نشود.هم چنین باید فرار باشد تا به راحتی بتوان آن را از ترکیب یا ترکیبات آلی استخراج شده جدا کرد.
بنابر این جسم استخراج شونده باید در حلال استخراج کننده به خوبی حل شود و قابلیت انحلال در این حلال بسیار بیشتر از آب باشد,ضمن اینکه حلال استخراج کننده نباید هیچ واکنشی با آب و یا مواد قابل استخراج بدهد.

برای انتخاب حلال مناسب برای استخراج بررسی هایی مشابه آنچه که در بلور گیری انجام می دهند لازم است:
۱-به خوبی جسم مورد استخراج را در خود حل کند (ضریب توزیع مناسب داشته باشد )
۲-حلالیت آن در حلال جسم مورد نظر کم باشد
۳-نا خالصی ها و یا اجسام دیگر موجود را خیلی کم و یا اصلا استخراج نکند
۴-به سهولت بتوان آن را پس از عمل استخراج شده جدا کرد
۵-واکنش شیمیایی با جسم حل شونده نداشته باشد

ساده ترین حالت استخراج آن است که جسم در دو حلال غیر قابل اختلاط پخش شود.از نظر کمی این پخش را بر حسب ضریب پخش یا توزیع بیان می کنند.در محلول های رقیق یک جسم بین دو حلال غیر قابل امتزاج توزیع می شود تا اینکه نسبت غلظت در یک حلال به غلظت در حلال دیگر عدد ثابتی باشد.

حل شدن ماده استخراجی در هر فاز به دو مورد بستگی دارد:
۱- به قابلیت حل شدن ماده استخراج شونده
 ۲-به حجم هر فاز

اثر نمک روی حلالیت
حلالیت اجسام آلی در آب به طور مؤثری توسط حضور نمک های معدنی حل شده تحت تأثیر قرار می گیرند.برای مثال اتانول که به طور کامل با آب خالص قابل امتزاج است فقط به طور جزئی در محلول های مائی قوی از سدیم کلرید , پتاسیم کربنات و برخی دیگر از نمک های معدنی معین حل می شوند.

این پدیده که از اثر نمک در خارج سازی جسم به وجود می آید به طور متداول با نمک های دارای یون های با شعاع کوچک و بار متمرکز اتفاق می افتد افزایش نمک دو اثر دارد:
الف)حلالیت حلال در آب کم می شود
ب)حلالیت ماده جامد آلی در آب کم می شود

اصول جداسازی
هنگام انتخاب حلال جهت استخراج یک جزء از محلول باید چند اصل کلی را به خاطر سپرد.
· حلال استخراج با حلال محلول اصلی مخلوط نشود.
· حلال انتخابی باید بهترین ضریب پخش را برای ماده حل شونده مورد نظر داشته باشد.
· حلال انتخابی باید ضریب نامناسبی برای انحلال ناخالصی ها داشته باشد.
· حلال انتخابی تا حد امکان نسبت به اجزای مخلوط خنثی باشد و وارد واکنش های جانبی نشود.
· حلال انتخابی به راحتی از ماده حل شونده جدا شود. این جداسازی معمولا توسط تقطیر صورت می گیرد.

استخراج در کارهای آزمایشگاهی توسط تکان دادن محلول مورد استخراج با حلال درون قیف جدا کننده شیشه ای صورت می گیرد.قیف کشیده مخروطی شکل با دنباله کوتاه برای این منظور به کار می برند قیف حاوی مخلوط را خوب تکان دهید تا تمام مایعات غیر قابل حل به صورت فیزیکی مخلوط شوند,سپس آن را روی پایه ای به حال خود بگذارید تا لایه ها به به طور کامل از هم جدا شوند.به هم زدن شدید مخلوط ها وقتی دلخواه بوده که تولید امولسیون نکند. زیرا بعدا برای برای جداسازی لایه ها به مزاحمت بر میخوریم.
در زمان جدا کردن مایعات سر قیف را باید سست کرد و یا برداشت,سپس لایه پایینی را به دقت درون ارلن مایر ریخت ضمنا باید شیر قیف را با دو دست نگه داشت تا از سست شدن آن و هدر رفتن مایع جلوگیری کرد .اگر ماده درون قیف خاصیت خورندگی داشته و یا ارزشمند باشد در عمل بهتر است که یک بشر را زیر قیف قرار داده و سپس قیف را برای هر مدتی که لازم است به حال خود باقی گذاشت اگر فقط یک لایه باید نگه داری شود لازم است دو لایه را تا زمانی که اطمینان کامل حاصل نشده که کدامیک حاوی ماده دلخواه است نگه داری کرد.

باتوجه به مطالب گفته شده، چکیده اصول جداسازی و انتخاب حلال مناسب جهت استخراج یک جزء از محلول به شرح زیر است:
· حلال استخراج کننده انتخابی در حلال محلول اصلی حل نشود.
· حلال انتخابی باید بهترین ضریب پخش را برای ماده حل شونده مورد نظر داشته باشد.
· حلال انتخابی باید ضریب نامناسبی برای انحلال ناخالصی ها داشته باشد.
· حلال انتخابی تا حد امکان نسبت به اجزای مخلوط خنثی باشد و وارد واکنش های جانبی نشود.
· حلال انتخابی به راحتی از ماده حل شونده جدا شود. این جداسازی معمولا توسط تقطیر صورت می گیرد.

نحوه جداسازی مواد توسط دکانتور
قاعدتا لایه ها طوری جدا می شوند که حلال سنگین تر در قسمت پایین قرار می گیرد. بنابراین، آگاهی از دانسیته حلال های مصرفی برای تشخیص لایه ها مفید است. با وجود این، این تشخیص بدون خطا نیست زیرا ممکن است ماهیت و غلظت جسم حل شده طوری باشد که دانسیته نسبی دو حلال را معکوس کند.


جداسازی مایع - مایع
روش کار
1. با استفاده از استوانه مدرج 100 سی سی از شیر خوراکی را داخل دکانتور بریزید.
2. 100 سی سی روغن به دکانتور اضافه کنید.
3. درب دکانتور را ببندید و با شدت به هم بزنید. سپس درب آن را باز کنید و بگذارید تا فاز های آبی و روغنی از هم جدا شود. این کار را سه بار تکرار کنید.
4. این آزمایش را با 100 سی سی کلروفرم تکرار کنید.
5. فاز روغنی و آلی را از شیر جدا کنید.

سوالات
 1. برای جداسازی چربی شیر کدام یک حلال بهتری است؟
2. دلیل تفاوت در ترتیب فازها در دو دکانتورچیست؟




بخش پژوهش های دانش آموزی تبیان
- تهیه: مینا رزقی و شایان فروزنده دل
- تنظیم: زینب شاه مرادی