용매 추출

대부분의 실제 시료는 단일 성분보다는 복잡한 혼합물로 존재하여 이를 분석하기 위해서는 먼저 혼합물에서 하나 혹은 그 이상의 성분들을 분리, 확인, 정량하는 단계를 거친다. 용매 추출(solvent extraction)이란 일반적으로 용매를 이용하여 어떤 용질(S)을 하나의 상(phase)에서 다른 상으로 옮기는 것을 말하며, 이 방법은 혼합물의 분리에 최근 많이 사용되고 있는 크로마토그래피 방법의 시초라고 할 수 있다.

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일반적으로 분석화학에서는 시료와 물, 유기용매를 분별 깔때기(separator funnel) 안에 넣고 흔든 다음 방치하여 비중에 따라 나누어진 두 층(물과 유기용매 층)으로 이동한 용질을 분취하여 분리하는 방법으로 사용한다. 용기 용매로는 주로 석유 에테르, 톨루엔, 헥산, 벤젠, 뷰탄올, 사염화탄소, 클로로폼, 다이클로로메테인 등이 사용되며 물과는 섞이지 않는다.

그림 1. 분액깔때기 (출처: 대한화학회)  

 어떤 용질이 물보다 가벼운 유기 용매 층(예, 상 2)과 물 층(예, 상 1)으로 분배된다고 가정할 때, 분배 계수 (partition coefficient, K)는 그 반응의 평형상수이다.

S(상 1에 존재) ⇋ S(상 2에 존재)

K = As₂/As₁ ≈ [S₂]/[S1]   (단, 여기서 A는 활동도, []는 시료의 몰 농도를 의미함). 

그림 2. 물과 물보다 가벼운 유기 용매상 사이에서의 용질의 분배 (출처: 대한화학회)

물(상 1) V₁ mL에 녹아있는 용질을 유기 용매(상 2) V₂ mL로 추출한다고 가정할 때, 1회 추출 후 물 층에 남아있는 용질의 분율 q = V₁/(V₁ + KV₂)이고, n번 추출 후 물 층에 남아있는 용질의 분율은 qⁿ = = (V1/V1 + KV₂)ⁿ으로 나타낼 수 있다.

또한 많은 양을 한 번에 추출하는 것보다 작은 부피의 용매로 여러 번 추출하는 것이 더 효과적이다.

분배계수 K는 그 반응의 평형상수 (K = As₂/As₁ ≈ [S₂]/[S1])이고 n번 추출 후 물층(상1)에 남아있는 용질의 분율은 qⁿ = = (V1/V1 + KV₂)ⁿ으로 나타낼 수 있다.

어떤 경우, 용매추출법을 휘발성 용매추출법과 비휘발성 용매추출법(냉침법, 온침법)으로 분류하기도 한다.