9 клас НУШ. Поняття про екстракцію речовин

Екстракція супроводжує людство протягом багатьох століть. Коли ваша бабуся заварює липовий чай від застуди або готує настоянку з трав, вона фактично використовує метод екстракції — один з найважливіших способів розділення сумішей у хімії.

Екстракція (з латинської extractio — витягувати, добувати) — це процес вилучення однієї або кількох речовин із суміші за допомогою спеціального розчинника, який називається екстрагентом.

Екстрагент — це розчинник, який вибірково (селективно) розчиняє потрібні компоненти суміші, залишаючи інші компоненти недоторканими. Уявіть, що у вас є суміш з кількох речовин, і вам потрібна лише одна з них. Екстрагент діє як «розумний магніт», що притягує саме ту речовину, яка вам потрібна.

Селективність екстрагента означає його здатність вибірково розчиняти певні речовини. Чим вища селективність, тим ефективніший процес екстракції, менші витрати розчинника і вища чистота кінцевого продукту.

Екстракт — це розчин добутих (вилучених) речовин в екстрагенті, тобто кінцевий продукт процесу екстракції.

Процес екстракції відбувається у чотири основні стадії:

1. Проникнення екстрагента — розчинник проникає в пори твердого матеріалу (наприклад, подрібненого насіння) або змішується з вихідним розчином.

2. Розчинення цільового компонента — потрібна речовина починає розчинятися в екстрагенті завдяки хімічній спорідненості між ними.

3. Дифузія речовини — розчинена речовина переміщується з глибини твердої частинки або з одного рідкого шару в інший, концентруючись в екстрагенті.

4. Отримання екстракту — формується розчин добутих речовин, який можна відокремити від залишків сировини.

Вибір екстрагента: принцип «подібне розчиняється в подібному»

Успіх екстракції залежить від правильного вибору екстрагента. У хімії діє важливе правило: полярні речовини розчиняються в полярних розчинниках, а неполярні — в неполярних.

Найпоширеніші екстрагенти:

• Вода — найбезпечніший і найдоступніший екстрагент, ідеально підходить для вилучення розчинних у воді речовин (цукрів, деяких вітамінів, дубильних речовин)

• Етанол (спирт) — розчиняє як полярні, так і деякі неполярні речовини, широко використовується у фармацевтиці

• Гексан — неполярний розчинник, ідеальний для вилучення жирів і олій

• Ацетон, бензол, хлороформ — використовуються для екстракції специфічних органічних речовин

Застосування екстракції в житті

Екстракція знаходить застосування в багатьох галузях:

У побуті: приготування чаю, кави, відварів лікарських трав, домашніх настоянок.

У харчовій промисловості: виробництво рослинних олій (соняшникової, оливкової, соєвої), отримання есенцій і ароматизаторів, виробництво соків.

У фармацевтиці: виготовлення лікарських препаратів з рослинної сировини, витяжок і настоянок, очищення активних фармацевтичних інгредієнтів.

У парфумерії: отримання ефірних олій, створення парфумерних композицій.

У хімічній промисловості: очищення речовин, розділення сумішей, аналітична хімія.

Виробництво рослинних олій: від насіння до продукту

Україна є світовим лідером у виробництві соняшникової олії, і екстракція гексаном — один з основних методів її отримання. Давайте детально розглянемо цей процес.

Гексан (С₆Н₁₄) — органічна речовина з класу алканів, яка має унікальні властивості для екстракції олій:

Фізичні властивості гексану:

• Прозора, безбарвна рідина

• Легкорухлива і летка

• Температура кипіння близько +70°С

• Слабкий запах нафти

• Неполярна молекулярна структура

Чому гексан ідеально підходить для екстракції олії?

Відповідь криється в будові молекул. Гексан — неполярна речовина, яка не утворює диполів. Рослинні олії (жири) також є неполярними речовинами. Згідно з принципом «подібне розчиняється в подібному», гексан чудово розчиняє жири, утворюючи з ними гомогенну суміш. При цьому гексан не розчиняє полярні речовини (білки, вуглеводи, мінеральні солі), що залишаються в твердому залишку.

Олійні рослини: цінна сировина

Насіння олійних рослин містить високий відсоток жирів:

• Соняшник — 40-50% жиру

• Арахіс — 40-45% жиру

• Льон — 30-40% жиру

• Соя — до 20% жиру

• Ріпак — 40-45% жиру

Такий високий вміст олії робить ці рослини економічно вигідною сировиною для промислового виробництва.

Технологія промислової екстракції: покрокове виробництво

Етап 1. Підготовка сировини Насіння очищають від домішок, висушують до оптимальної вологості (6-8 %) і подрібнюють. Подрібнення збільшує площу контакту між сировиною і екстрагентом, що прискорює процес екстракції.

Етап 2. Екстракція в екстракторі Подрібнене насіння завантажують у спеціальний апарат — екстрактор. Через сировину пропускають гексан, який розчиняє олію. Цей процес відбувається протягом кількох годин при контрольованій температурі (50-60°С).

Етап 3. Отримання міцели Утворюється міцела — розчин олії в гексані. Міцела містить 15-25 % олії і 75-85 % гексану.

Етап 4. Дистиляція (відгонка гексану) Міцелу нагрівають, і гексан випаровується (пам'ятаємо, його температура кипіння всього +70°С, тоді як олія залишається рідкою). Пари гексану конденсують і повертають у виробничий цикл для повторного використання — це робить процес економічним і екологічнішим.

Етап 5. Рафінація (очищення) Сиру олію додатково очищають від можливих залишків розчинника, домішок, вільних жирних кислот, пігментів. Після цього олія стає безпечною для споживання і готовою до пакування.

Переваги екстракційного методу

• Висока ефективність: вилучається до 99 % олії з сировини (для порівняння: пресовий метод дає лише 85-90 %)

• Економічність: максимальне використання сировини

• Якість продукту: олія має світлий колір і нейтральний смак

• Можливість переробки шроту: залишок після екстракції (шрот) використовується як цінний білковий корм для тварин.

Безпека екстракційної олії

Важливе питання: чи безпечна олія, отримана екстракцією гексаном?

Так, за умови дотримання технологічних норм! Сучасні технології дозволяють повністю видалити гексан з кінцевого продукту. Допустимий вміст залишків гексану в харчовій олії регулюється жорсткими стандартами і не перевищує 1 мг/кг — це абсолютно безпечна кількість для здоров'я людини.

Україна — олійна держава світу

У 2024 році Україна залишається найбільшим виробником і експортером соняшникової олії у світі. Вітчизняні науковці постійно працюють над удосконаленням технологій екстракції, розробкою нового обладнання і підвищенням екологічності виробництва.

Державний науковий центр лікарської сировини (Харків, лабораторія технології фітохімічних виробництв) активно досліджує методи екстракції біологічно активних речовин з лікарської рослинної сировини, розробляючи нові, більш ефективні та екологічні технології.

Лев Володимирович Писаржевський (1874-1938) — видатний український хімік, академік, один з основоположників електронної теорії в хімії.

У 1915 році в Катеринославі (сучасний Дніпро) професор Писаржевський разом зі старшим лаборантом Аверкієвим організували станцію з виробництва йоду методом екстракції. Вони використовували етанол як екстрагент для вилучення йоду із золи морських водоростей філофора, які добували біля острова Зміїний у Чорному морі.

Це був перший в Україні промисловий процес екстракції, що мав важливе значення для медицини, особливо під час Першої світової війни, коли йод був необхідний для дезінфекції ран.

У 1927 році Л.В. Писаржевський заснував у Дніпропетровську інститут фізичної хімії, який згодом переїхав до Києва і тепер носить ім'я свого засновника — Інститут фізичної хімії імені Л.В. Писаржевського НАН України.

На честь видатного вченого заснована премія за видатні наукові роботи в галузі хімії та хімічної технології. За роки незалежності України близько 20 науковців отримали цю престижну нагороду.

Уважно прочитайте текст й дайте відповідь. Прикріпіть відповіді із зошиту до відповідного поля.

Екстракція в побуті та промисловості

Марія вирішила приготувати цілющий напій для своєї родини. Вона взяла сушені плоди шипшини, які містять велику кількість вітаміну С, ефірні олії та органічні кислоти. Марія подрібнила плоди, залила їх окропом і залишила настоюватися протягом 15 хвилин у термосі. Отриманий напій мав приємний кислуватий смак і золотисто-червоний колір.

Її брат Андрій, який навчається на фармацевта, розповів, що на фармацевтичній фабриці для отримання лікарських екстрактів з рослинної сировини використовують не тільки воду, але й інші розчинники, наприклад етанол. Він пояснив, що вибір розчинника залежить від того, які саме речовини потрібно вилучити з рослини.

Андрій також зазначив, що при виробництві олії з насіння соняшнику на заводі використовують органічний розчинник гексан, який чудово розчиняє жири. Він запевнив Марію, що сучасні технології дозволяють повністю видалити гексан з олії, тому вона абсолютно безпечна для вживання.

1. Яку роль виконує окріп у процесі приготування напою з шипшини? Поясніть.

2. Чому для вилучення вітаміну С з шипшини Марія використала воду, а для виробництва олії з насіння застосовують гексан? У своїй відповіді поясніть зв'язок між будовою речовин і вибором екстрагента.

3. Андрій стверджує, що олія, отримана екстракцією гексаном, є безпечною для здоров'я. Обґрунтуйте.

4. Запропонуйте, який екстрагент (воду чи етанол) краще використати для вилучення ефірних олій з м'яти для виробництва лікарського препарату. Обґрунтуйте.

Уважно прочитайте текст й дайте відповідь. Прикріпіть відповіді із зошиту до відповідного поля.

Наукові дослідження України

У 1915 році, під час Першої світової війни, в місті Катеринослав (тепер Дніпро) постала серйозна проблема: армії та лікарням катастрофічно не вистачало йоду для дезінфекції ран. Йод тоді імпортували з-за кордону, але війна перервала постачання.

Професор Лев Писаржевський та лаборант Аверкієв знайшли геніальне рішення. Вони знали, що морські водорості філофора, які в великих кількостях росли біля острова Зміїний у Чорному морі, накопичують у своїх тканинах йод. Вчені розробили метод екстракції йоду з попелу (золи) спалених водоростей, використовуючи етанол як екстрагент.

Писаржевський зі своєю командою сконструювали спеціальний апарат для екстракції і організували станцію з виробництва йоду, яка забезпечила потреби фронту та цивільних лікарень. Це був перший в Україні приклад промислового застосування наукового методу екстракції, який врятував тисячі життів.

Сьогодні спадщину Л.В. Писаржевського продовжують українські науковці. Інститут фізичної хімії НАН України, який носить його ім'я, та Державний науковий центр лікарської сировини в Харкові розробляють сучасні методи екстракції для фармацевтичної промисловості, медицини та харчової індустрії.

1. Визначте всі компоненти процесу екстракції, описаного в тексті: вкажіть сировину, екстрагент, цільовий компонент (речовину, яку добували) і сферу застосування екстракту.

2. Поясніть, чому спалювання водоростей було необхідним етапом перед екстракцією йоду. Який хімічний процес відбувався при спалюванні, і як це полегшувало екстракцію?

3. Уявіть, що професор Писаржевський вирішив використати замість етанолу воду або гексан. Проаналізуйте, чи були б ці розчинники ефективними для екстракції йоду. Обґрунтуйте.

4. Розробка методу екстракції йоду за часів війни — приклад того, як наука служить суспільству в критичні моменти. Як ви вважаєте, чому важливо підтримувати наукові дослідження в Україні сьогодні?