5. Поверхностные явления. Адсорбция
Сорбция – поглощение каким-либо веществом других веществ.
Абсорбция – процесс сорбции, при котором поглощаемое вещество диффундирует вглубь поглотителя и распределяется по объему.
Адсорбция – процесс сорбции, идущий на поверхности, который представляет собой увеличение концентрации на границе раздела фаз. Адсорбция положительна, если молекулы вещества притягиваются к поверхности раздела фаз, то есть концентрируются на поверхности, и отрицательна, если молекулы вещества отталкиваются от поверхности и уходят вглубь объемной фазы.
То вещество, на поверхности которого идет адсорбция, принято называть адсорбентом, а вещество, которое адсорбируется, – адсорбатом.
Адсорбция возникает за счет свободной энергии поверхности, обусловленной неуравновешенностью частиц, образующих поверхностный слой. Притягивая к себе частицы из другой фазы, частицы поверхностного слоя уменьшают свою неуравновешенность, восстанавливая связь с адсорбционными частицами, и выделяют при этом энергию. По величине энергии, выделяющийся при адсорбции, различают следующие виды этого процесса:
физическую адсорбцию, проявляющуюся при низких температурах. Энергии выделяется мало, и адсорбированные частицы почти не меняют своё строение;
активированную адсорбцию, связанную с более значительным выделением энергии. Адсорбированные частицы, взаимодействуя с поверхностью адсорбента, возбуждаются и изменяют своё строение. Этот вид адсорбции проявляется при гетерогенном катализе;
хемосорбцию, сопровождающуюся большим выделением энергии, и адсорбированные частицы вступают в химическое взаимодействие с поверхность адсорбента.
Адсобцию (А) обычно выражают соотношением адсорбата Х, приходящегося на единицу площади поверхности адсорбента S, в кмоль/м2:
А = Х / S.
Если адсорбентом является твердое пористое тело, общую поверхность которого определить невозможно, то адсорбцию А относят к единице массы адсорбента m в кмоль/кг:
А = Х / m.
Величина адсорбции зависит от природы адсорбента, адсорбата, давления, температуры.
Изотерма адсорбции – уравнение, связывающее величину адсорбции и концентрацию (парциальное давление) адсорбата при постоянной температуре. Увеличение температуры приводит к уменьшению адсорбции.
Изобара адсорбции – уравнение, связывающее величину адсорбции и температуру при постоянной концентрации (парциальном давлении) адсорбата.
Адсорбция носит избирательный характер. Так, например, активированный уголь хорошо поглощает хлор, но не адсорбирует угарный газ (СО). Поэтому нельзя пользоваться обычными противогазами при тушении пожаров, так как в зоне пожара много СО.
По способности адсорбировать вещества из растворов все адсорбенты можно разбить на два основных типа:
– гидрофильные, хорошо смачивающиеся водой;
– гидрофобные, которые смачиваются органическими жидкостями.
К гидрофильным относятся: силикагель, глины, пористые стекла, осадочные горные породы – диатомит и др. Эти адсорбенты целесообразно использовать для адсорбции из неводных растворов, например для очистки сиропов, масел, нефтепродуктов, при очистке жиров от свободных жирных кислот, смолистых и красящих веществ.
Гидрофобные адсорбенты – активированный уголь, графит, тальк – хорошо адсорбируют вещества из водных растворов. Их используют в спиртовом производстве для удаления сивушных масел. В сахарной и крахмалопаточной промышленности углем обесцвечивают сырой продукт.
Адсорбция вещества из раствора идет медленнее адсорбции газа, так как уменьшение концентрации в граничном слое может восполняться только путем диффузии растворенного вещества в поры адсорбента, что осуществляется очень медленно. Для ускорения адсорбции применяют прием перемешивания. На адсорбцию влияет также способность растворителя растворять адсорбтив: чем лучше растворяется адсорбтив, тем хуже идет адсобция из раствора.
В зависимости от агрегатного состояния поверхностей раздела фаз различают следующие виды адсорбции:
адсорбция на границе раствор – газ;
адсорбция на границе раздела двух несмешивающихся жидкостей;
адсорбция на границе твердое тело – газ;
адсорбция на границе твердое тело – раствор:
– молекулярная адсорбция из растворов;
– адсорбция электролитов;
– ионообменная адсорбция.
Сегодня адсорбция составляет основу многих промышленных операций и научных исследований. Наиболее важные из них – очистка, выделение и разделение различных веществ, адсорбционная газовая и жидкостная хроматография. Адсорбционные процессы играют ключевую роль при выборе стратегии защиты окружающей среды (на явлении адсорбции основаны многочисленные способы очистки воздуха и воды от вредных примесей).
На основе избирательного и последовательного поглощения адсорбентами растворенных веществ основывается хроматография.
Хроматография (греч. χρώμα – цвет) – метод разделения и анализа смесей газов, паров, жидкостей, растворенных веществ сорбционными методами в динамических условиях.
В основе метода лежит явление адсорбции ионов и молекул растворенных веществ на поверхности сорбентов. Основан метод на различии во взаимодействии компонентов раствора (подвижная фаза (ПФ)) с измельченным пористым веществом или слоем несмешивающейся с раствором жидкости (неподвижная фаза (НФ)). Разделение осуществляется лишь при условии направленного перемещения подвижной фазы через слой неподвижной фазы. Вследствие различия во взаимодействии веществ, входящих в состав подвижной фазы, с частицами неподвижной фазы – происходит селективное замедленное движение компонентов смеси, что и приводит к образованию отдельных зон, число которых, при идеально подобранных условиях, соответствует количеству компонентов смеси.
Результатом хроматографирования является получение хроматограмм, вид которых значительно отличается, в зависимости от применяемого способа хроматографирования.
Разделим пятикомпонентную смесь при помощи колоночной (а), газовой (б) и тонкослойной (в) хроматографий (рис. 2).
Рис. 2. Вид хроматограмм, в зависимости от способа хроматографирования: