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Inorganic Chemistry अकार्बनिक रसायन (Inorganic Chemistry)

Solvent Extraction Method विलायक निष्कर्षण विधि (Solvent Extraction Method)

Solvent extraction, also known as liquid-liquid extraction, is a method to separate compounds based on their relative solubilities in two different immiscible liquids, usually water and an organic solvent. It operates on the Nernst Distribution Law, where a solute distributes itself between two immiscible phases at constant temperature. विलायक निष्कर्षण (Solvent extraction), जिसे द्रव-द्रव निष्कर्षण (liquid-liquid extraction) भी कहा जाता है, दो अलग-अलग अमिश्रणीय (immiscible) द्रवों, आमतौर पर जल और एक कार्बनिक विलायक, में यौगिकों की सापेक्ष विलेयता (relative solubilities) के आधार पर उन्हें अलग करने की एक विधि है। यह नर्नस्ट वितरण नियम (Nernst Distribution Law) पर कार्य करता है, जहाँ एक विलेय (solute) स्थिर तापमान पर दो अमिश्रणीय प्रावस्थाओं (phases) के बीच स्वयं को वितरित करता है।

UP PGT Chemistry Subject Code 02 B.Sc. / M.Sc. Level

Thermodynamic Basis and Partition Coefficient ऊष्मागतिक आधार और वितरण गुणांक (Thermodynamic Basis and Partition Coefficient)

  • The partition coefficient (KD) represents the ratio of activities of the solute in the two immiscible phases at equilibrium.
  • For extremely dilute solutions, concentrations are substituted for activities without significant error.
  • The magnitude of KD determines the feasibility of extracting a particular solute into the organic phase.
  • A large value of KD indicates high solubility in the organic phase and efficient extraction.
  • वितरण गुणांक (Partition coefficient, KD) साम्यावस्था पर दो अमिश्रणीय प्रावस्थाओं में विलेय की सक्रियताओं (activities) के अनुपात को दर्शाता है।
  • अत्यंत तनु विलयनों (extremely dilute solutions) के लिए, बिना किसी महत्वपूर्ण त्रुटि के सक्रियताओं के स्थान पर सांद्रता का उपयोग किया जा सकता है।
  • KD का मान कार्बनिक प्रावस्था में किसी विशिष्ट विलेय के निष्कर्षण की व्यवहार्यता (feasibility) निर्धारित करता है।
  • KD का उच्च मान कार्बनिक प्रावस्था में उच्च विलेयता और कुशल निष्कर्षण को इंगित करता है।

Factors Affecting Extraction Efficiency निष्कर्षण दक्षता को प्रभावित करने वाले कारक (Factors Affecting Extraction Efficiency)

  • pH control is crucial for metal chelate extraction, as aqueous hydrogen ion concentration directly competes with metal ions for the chelating ligand.
  • The presence of salting-out agents increases the ionic strength of the aqueous phase, decreasing the solubility of organic solutes and enhancing extraction.
  • Multiple extractions using smaller volumes of organic solvent are statistically more efficient than a single extraction with the total volume.
  • Formation of neutral, hydrophobic coordination complexes facilitates the transfer of metal ions from polar aqueous media to non-polar organic solvents.
  • धातु कीलेट (metal chelate) निष्कर्षण के लिए pH नियंत्रण महत्वपूर्ण है, क्योंकि जलीय हाइड्रोजन आयन सांद्रता सीधे कीलेटिंग लिगैंड के लिए धातु आयनों के साथ प्रतिस्पर्धा करती है।
  • साल्टिंग-आउट एजेंटों (salting-out agents) की उपस्थिति जलीय प्रावस्था की आयनिक शक्ति (ionic strength) को बढ़ाती है, जिससे कार्बनिक विलेयों की विलेयता कम हो जाती है और निष्कर्षण बढ़ जाता है।
  • कार्बनिक विलायक की कम मात्रा का उपयोग करके कई बार निष्कर्षण करना, कुल मात्रा के साथ एक बार के निष्कर्षण की तुलना में सांख्यिकीय रूप से अधिक कुशल है।
  • उदासीन, जलविरागी (hydrophobic) समन्वय संकुलों (coordination complexes) का निर्माण धातु आयनों को ध्रुवीय जलीय माध्यम से अध्रुवीय कार्बनिक विलायकों में स्थानांतरित करने में सहायक होता है।

Applications in F-Block Element Separation F-ब्लॉक तत्व पृथक्करण में अनुप्रयोग (Applications in F-Block Element Separation)

  • Solvent extraction is widely utilized for the separation of lanthanides and actinides due to small consecutive differences in their ionic radii.
  • Tributyl phosphate (TBP) is a primary industrial extractant used in the Plutonium-Uranium Extraction (PUREX) process.
  • Crown ethers and quaternary ammonium salts act as phase transfer catalysts and specific extractants for f-block ions.
  • Synergistic extraction involves using a mixture of two extractants, such as a β-diketone and a neutral donor, to drastically enhance extraction constants.
  • लैंथेनाइड्स और एक्टिनाइड्स के आयनिक त्रिज्या में क्रमिक सूक्ष्म अंतर के कारण उनके पृथक्करण के लिए विलायक निष्कर्षण का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है।
  • ट्राइब्यूटिल फॉस्फेट (Tributyl phosphate, TBP) प्लूटोनियम-यूरेनियम निष्कर्षण (PUREX) प्रक्रिया में उपयोग किया जाने वाला एक प्राथमिक औद्योगिक निष्कर्षक (extractant) है।
  • क्राउन ईथर (Crown ethers) और चतुष्क अमोनियम लवण (quaternary ammonium salts) f-ब्लॉक आयनों के लिए प्रावस्था स्थानांतरण उत्प्रेरक (phase transfer catalysts) और विशिष्ट निष्कर्षक के रूप में कार्य करते हैं।
  • सहक्रियात्मक निष्कर्षण (synergistic extraction) में दो निष्कर्षकों के मिश्रण का उपयोग शामिल है, जैसे कि एक β-डाइकीटोन और एक उदासीन दाता, जो निष्कर्षण स्थिरांक को काफी बढ़ा देते हैं।
📐 Key Formulas & Equations 📐 महत्वपूर्ण सूत्र एवं समीकरण
Distribution Ratio वितरण अनुपात (Distribution Ratio)
D = (Ctotal)org / (Ctotal)aq
Conditions: Applies when the solute undergoes side reactions such as dissociation, association, or complexation in either phase.
शर्तें: तब लागू होता है जब विलेय किसी भी प्रावस्था में वियोजन, संयोजन या संकुलन जैसी पार्श्व अभिक्रियाओं (side reactions) से गुजरता है।
इकाइयाँ: विमाहीन (Dimensionless)
Extraction Efficiency (Fraction Remaining) निष्कर्षण दक्षता (Extraction Efficiency)
En = (Vaq / (Vaq + D · Vorg))n
Conditions: For 'n' successive extractions using volume Vorg of organic solvent from volume Vaq of aqueous phase.
शर्तें: Vaq जलीय प्रावस्था के आयतन से Vorg कार्बनिक विलायक के आयतन का उपयोग करके 'n' क्रमिक निष्कर्षण के लिए।
इकाइयाँ: प्रतिशत (%)
Percentage Extraction प्रतिशत निष्कर्षण (Percentage Extraction)
%E = (D / (D + (Vaq / Vorg))) × 100
Conditions: Single-step liquid-liquid extraction.
शर्तें: एकल-चरण द्रव-द्रव निष्कर्षण के लिए।
इकाइयाँ: प्रतिशत (%)
Nernst Distribution Law (Partition Coefficient) नर्नस्ट वितरण नियम (Nernst Distribution Law)
KD = [C]org / [C]aq
Conditions: Constant temperature, dilute solutions, and the solute must exist in the same molecular state in both phases.
शर्तें: स्थिर तापमान, तनु विलयन, और विलेय को दोनों प्रावस्थाओं में समान आणविक अवस्था में होना चाहिए।
इकाइयाँ: विमाहीन (Dimensionless)
⚠️ Important Exceptions & Anomalies ⚠️ महत्वपूर्ण अपवाद एवं विसंगतियाँ
Exceptionअपवाद Partition coefficient KD remains constant regardless of total solute concentration.वितरण गुणांक KD कुल विलेय सांद्रता की परवाह किए बिना स्थिर रहता है।

Observation: KD varies significantly at higher solute concentrations. — Solute association, dissociation, or non-ideal solution behavior alters the active species concentration in the phases. प्रेक्षण: उच्च विलेय सांद्रता पर KD काफी बदल जाता है। विलेय का संयोजन, वियोजन या गैर-आदर्श विलयन व्यवहार प्रावस्थाओं में सक्रिय प्रजातियों की सांद्रता को बदल देता है।

Exceptionअपवाद Neutral metal chelates are readily extracted into non-polar organic solvents.उदासीन धातु कीलेट आसानी से अध्रुवीय कार्बनिक विलायकों में निष्कर्षित हो जाते हैं।

Observation: Certain highly hydrated metal chelates retain high aqueous solubility. — Presence of hydrophilic functional groups on the ligand prevents complete dehydration of the metal coordination sphere. प्रेक्षण: कुछ अत्यधिक जलयोजित (hydrated) धातु कीलेट उच्च जलीय विलेयता बनाए रखते हैं। लिगैंड पर हाइड्रोफिलिक कार्यात्मक समूहों की उपस्थिति धातु समन्वय क्षेत्र के पूर्ण निर्जलीकरण को रोकती है।

💡 Shortcuts & Memory Aids 💡 शॉर्टकट एवं स्मरणीय सूत्र
Multiple vs Single Extraction Ruleबहु बनाम एकल निष्कर्षण नियम
Emulti > Esingle

Application: Always prefer 3 small-volume extractions over 1 large-volume extraction for maximum recovery of solute. अनुप्रयोग: विलेय की अधिकतम रिकवरी के लिए हमेशा 1 बड़े आयतन के निष्कर्षण के बजाय 3 छोटे आयतन के निष्कर्षण को प्राथमिकता दें।

pH Optimization for Metal Chelatesधातु कीलेट के लिए pH अनुकूलन
log D = log Kex + n log[HL]org - n pH

Application: Use the logarithmic dependence on pH to calculate the optimal operating pH for selective metal separation. अनुप्रयोग: चयनात्मक धातु पृथक्करण के लिए इष्टतम परिचालन pH की गणना करने के लिए pH पर लघुगणकीय निर्भरता का उपयोग करें।

Salting-Out Effect Mnemonicसाल्टिंग-आउट प्रभाव मेमोनिक
High Ionic Strength = Low Aqueous Solubility

Application: Add strong electrolytes like NaNO3 or NaCl to the aqueous phase to push polar molecules into the organic layer. अनुप्रयोग: ध्रुवीय अणुओं को कार्बनिक परत में धकेलने के लिए जलीय प्रावस्था में NaNO3 या NaCl जैसे मजबूत इलेक्ट्रोलाइट्स मिलाएं।

⚖️ Comparison of Extraction Parameters ⚖️ निष्कर्षण मापदंडों की तुलना
ParameterपैरामीटरPartition Coefficient (KD)वितरण गुणांक (KD)Distribution Ratio (D)वितरण अनुपात (D)
DefinitionपरिभाषाRatio of concentrations of a single speciesएकल प्रजाति की सांद्रता का अनुपातRatio of total concentrations of all forms of the speciesप्रजाति के सभी रूपों की कुल सांद्रता का अनुपात
Species Consideredविचारित प्रजातिOnly the extracting chemical speciesकेवल निष्कर्षित रासायनिक प्रजातिAll chemical forms (associated, dissociated, complexed)सभी रासायनिक रूप (संयोजित, वियोजित, संकुलित)
Concentration Dependenceसांद्रता निर्भरताIndependent of total concentrationकुल सांद्रता से स्वतंत्रDependent on pH, complexing agents, and side reactionspH, संकुलन एजेंटों और पार्श्व अभिक्रियाओं पर निर्भर
🎯 Key Exam Points 🎯 महत्वपूर्ण परीक्षा बिंदु (Key Exam Points)
  • Nernst Distribution Law forms the theoretical foundation of solvent extraction.
  • Tributyl phosphate (TBP) is extensively used in the PUREX process for spent nuclear fuel reprocessing.
  • Multiple small-volume extractions yield a higher recovery than a single large-volume extraction.
  • Chelating agents such as acetylacetone form neutral, lipid-soluble complexes with metal ions.
  • Synergistic extraction enhances the distribution ratio by employing two complementary extractants simultaneously.
  • Distribution ratio (D) depends heavily on the pH of the aqueous phase during metal-chelate extraction.
  • नर्नस्ट वितरण नियम विलायक निष्कर्षण का सैद्धांतिक आधार बनाता है।
  • ट्राइब्यूटिल फॉस्फेट (TBP) का उपयोग खर्च किए गए परमाणु ईंधन के पुनर्संसाधन के लिए PUREX प्रक्रिया में व्यापक रूप से किया जाता है।
  • कई छोटे आयतन के निष्कर्षण एक बड़े आयतन के निष्कर्षण की तुलना में अधिक रिकवरी देते हैं।
  • एसिटाइलएसीटोन जैसे कीलेटिंग एजेंट धातु आयनों के साथ उदासीन, लिपिड-विलेय संकुल बनाते हैं।
  • सहक्रियात्मक निष्कर्षण दो पूरक निष्कर्षकों का एक साथ उपयोग करके वितरण अनुपात को बढ़ाता है।
  • धातु-कीलेट निष्कर्षण के दौरान वितरण अनुपात (D) जलीय प्रावस्था के pH पर अत्यधिक निर्भर करता है।
🚫 Common Errors & Confusions 🚫 सामान्य भ्रांतियाँ एवं त्रुटियाँ (Common Errors)
  • Assuming partition coefficient and distribution ratio are identical; remember that D accounts for side reactions while KD does not.
  • Forgetting that organic and aqueous phases must be mutually immiscible for liquid-liquid extraction to work.
  • Ignoring the effect of temperature changes on the partition coefficient value.
  • Using incorrect volume units in the extraction efficiency formula; both Vorg and Vaq must be in identical units.
  • यह मान लेना कि वितरण गुणांक और वितरण अनुपात समान हैं; याद रखें कि D पार्श्व अभिक्रियाओं को ध्यान में रखता है जबकि KD नहीं।
  • यह भूल जाना कि द्रव-द्रव निष्कर्षण के लिए कार्बनिक और जलीय प्रावस्थाओं का परस्पर अमिश्रणीय होना आवश्यक है।
  • वितरण गुणांक मान पर तापमान परिवर्तन के प्रभाव को अनदेखा करना।
  • निष्कर्षण दक्षता सूत्र में गलत आयतन इकाइयों का उपयोग करना; Vorg और Vaq दोनों समान इकाइयों में होने चाहिए।