§ 7. Адсорбция на границе раздела твердое тело – газ и твердое тело – жидкость (раствор)

Адсорбция на твердых телах может происходить из газовой фазы и из растворов. Адсорбция на твердой поверхности была известна уже в конце ХVIII века. В 1789 году русский академик Т.Е. Ловиц применил уголь для очистки веществ методом адсорбции.

Твердые вещества всегда способны адсорбировать своей поверхностью молекулы, атомы или ионы из окружающей среды. Механизм адсорбции состоит в том, что значительная неуравновешенность частиц, образующих поверхность раздела, создает свободную энергию поверхности, которая распределена неравномерно, так как граница раздела со стороны газа или жидкости в силу своей подвижности в большей степени подвержена релаксации. Поэтому особенностью твердой поверхности является то, что не все ее участки обладают одинаковыми адсорбционными свойствами: имеются участки малой и высокой активности. Более активными являются различные микровыступы, микродефекты, трещины и т.п. Такие участки обычно называют активными центрами. Они составляют незначительную часть общей поверхности твердого тела. На активных центрах адсорбция идет особенно сильно. Так, выступы на частицах угля в 4,5 раза интенсивнее адсорбируют кислород, чем углубления на его поверхности. Каждый активный центр может адсорбировать только одну молекулу, так как адсорбция определяется остаточными валентностями. Скорость адсорбции пропорциональна давлению газа и свободной активной поверхности адсорбента. Адсорбция будет максимальной (Г_мах) при заполнении всех активных центров. Затем наступает динамическое адсорбционное равновесие, когда скорости адсорбции и десорбции равны. Взаимодействие между адсорбированными молекулами зачастую отсутствует. При количественной оценке адсорбции поверхностная энергия отдельных центров, естественно, усредняется, и адсорбция измеряется в молях на единицу поверхности. Абсолютное количество адсорбированного вещества определяют по разности между первоначальным количеством адсорбтива и оставшимся свободным после установления адсорбционного равновесия. Равновесное количество поглощенного вещества Х, приходящееся на 1 см² адсорбирующей поверхности S, называется удельной адсорбцией (моль/см²):

Г_уд= . (1)

Однако точно измерить поверхность адсорбента очень трудно, поэтому чаще относят массу или объем адсорбированного вещества к единице массы адсорбента и выражают через А:

, (2)

где х – равновесное количество поглощенного вещества, моль; m – количество адсорбента, г. Удельная адсорбция А и адсорбция связаны между собой следующей зависимостью:

А = Г · S_o, (3)

где S_o – поверхность 1 г адсорбента.

На поверхности твердых тел при их контакте с газом или паром происходит положительная адсорбция, т.е. при термодинамическом равновесии системы концентрация газа на поверхности выше, чем в объеме газа. Количество вещества, адсорбированного 1 см² поверхности адсорбента, зависит от химической природы адсорбента и адсорбтива, от состояния поверхности адсорбента, от концентрации адсорбтива и от температуры.

Обычно адсорбенты получают в строго контролируемых технологических условиях и поэтому они обладают более или менее постоянной удельной поверхностью. Так, например, внутренняя поверхность пор 1 г активированного угля достигает 400–900 м². В качестве других адсорбентов можно назвать силикагель, кварцевый песок, каолин и др. Адсорбция тем больше, чем больше поверхность твердого тела. Активированный уголь адсорбирует значительное количество газов, на этом основано его применение в противогазах для извлечения отдельных компонентов из газовых смесей. Н.Д. Зелинский впервые предложил применять активированный уголь для поглощения отравляющих веществ. Степень извлечения при адсорбции на активированном угле составляет 95 – 99 %.

При прочих равных условиях, сильнее адсорбируются те газы, которые легче конденсируются в жидкость или обладают более высокой температурой кипения в жидком состоянии. Процесс избирательной адсорбции используется в противогазе, так как активированный уголь хорошо адсорбирует примеси, но мало задерживает воздух, т.к. температуры кипения О₂ и N₂ очень низкие.

Количественно процесс адсорбции из газовой фазы и из растворов выражается эмпирическим уравнением Г. Фрейндлиха:

(4)

где х – количество адсорбированного вещества, г; m – количество адсорбента, г;

– количество вещества, адсорбированного единицей массы адсорбента; С – концентрация раствора при достижении равновесия; K и n – эмпирические константы. Константа К показывает количество вещества, адсорбированное 1 г адсорбента при С = 1 моль/л. Для каждого адсорбтива К имеет свое численное значение при одном и том же адсорбенте, т.е. она характеризует способность данного адсорбтива адсорбироваться определенным адсорбентом. Константа n также имеет различные значения для разных веществ, адсорбирующихся одним и тем же адсорбентом.

Уравнению (4) соответствует изотерма адсорбции Г. Фрейндлиха (рис. 10).

Рис. 10. Изотерма адсорбции Г. Фрейндлиха

При адсорбции газов и паров на поверхности адсорбентов может образовываться не только мономолекулярный, но и полимолекулярный адсорбционный слой. Адсорбция может не ограничиваться заполнением адсорбентом только слоя толщиной в одну молекулу. В ряде случаев при относительно высоких давлениях газа возможно образование нескольких таких слоев из адсорбированного вещества, расположенных друг над другом.

Такая адсорбция называется полимолекулярной, т.е. в этом случае могут заполняться слои толщиной в 2, 3 и более молекул. Она начинается после насыщения молекулами адсорбирующегося вещества первого слоя на поверхности адсорбента и по своей природе родственна процессу конденсации газов. Для многослойной или полимолекулярной адсорбции уравнение И. Ленгмюра не пригодно, так как согласно концепции М. Поляни (1914–1916 гг.) адсорбционные силы действуют на расстояниях, превышающих размеры молекул. В этом случае изотермы адсорбции имеют S-образную форму (рис.11).

Рис 11. Изотерма

полимолекулярной адсорбции (изотерма БЭТ)

Уравнение изотермы для такой адсорбции получено в 1938 году С. Брунауэром, П. Эмметом и Дж. Теллером. По начальным буквам фамилий исследователей, впервые ее получивших, она называется изотермой БЭТ. На рис. 11 участок ОА S-образной кривой отвечает образованию монослоя и соответствует изотерме адсорбции И. Ленгмюра, дальнейший подъем на участке АВ отвечает полимолекулярной адсорбции. При обратимой адсорбции изотермы прямого и обратного процессов совпадают.

На протекание адсорбции на границе твердое тело – жидкость влияет природа адсорбента и адсорбтива, температура, концентрация раствора и время адсорбции. Адсорбция на границе твердое тело – жидкость идет медленнее, чем на границе твердое тело – газ, так как в граничном слое уменьшение концентрации восполняется только за счет диффузии, которая в жидкостях идет гораздо медленнее. Адсорбция из растворов обычно уменьшается с повышением температуры, но меньше, чем при адсорбции газов. При прочих равных условиях из раствора лучше адсорбируются те вещества, которые обладают лучшей растворимостью.

Адсорбция на границе твердое тело – жидкость более сложный процесс, чем адсорбция на границе твердое тело – газ, так как наряду с силовым полем твердой фазы необходимо учитывать межмолекулярные взаимодействия в жидкой фазе. Кроме того, из жидкой фазы адсорбируются, по меньшей мере, два компонента – растворитель и растворенное вещество – и возникает конкуренция между ними за места в поверхностном слое.

Уравнение Гиббса показывает, что чем больше вещество понижает поверхностное натяжение (а, следовательно, и поверхностную энергию) на границе твердое тело – жидкость, тем больше оно должно адсорбироваться на твердой поверхности.

Общих уравнений изотермы адсорбции на границе твердое тело – жидкость пока не существует, но закономерности процессов адсорбции для них ближе к границе жидкость – газ, чем к границе твердое тело – газ, т.к. основную роль, видимо, играют взаимодействия в жидкой фазе. Однако, к процессу адсорбции твердое тело – жидкость можно применить правило Дюкло-Траубе: во многих случаях происходит увеличение адсорбционной способности в 3–3,5 раза при удлинении цепи в гомологическом ряду на одно звено. Адсорбционная способность будет больше для адсорбирующегося вещества с большей молекулярной массой. В качестве примера можно указать на многие ферментативные процессы (например, при расщеплении пептонов пепсином), в которых продукты распада оказываются менее поверхностно-активными, чем исходные вещества и уступают место в поверхностном слое все новым и новым макромолекулам субстрата на поверхности фермента.

Благоприятные условия для адсорбции на границе твердое тело – жидкость именно растворенного вещества (а не растворителя) создаются, если дисперсная фаза и дисперсионная среда сильно различаются по поверхностям и взаимодействие между ними будет незначительно, а поверхностная энергия – велика. Чем больше свободная поверхностная энергия, которая пропорциональна разности полярностей на межфазной границе, тем больше вероятность снижения ее за счет адсорбции растворенного вещества, обладающего промежуточной полярностью. Таким образом, для преимущественной адсорбции растворенного вещества необходимо создавать условия, тогда из более полярной фазы на неполярной поверхности адсорбируется менее полярное вещество; чтобы оно вытеснялось и из менее полярной фазы, оно должно быть по сравнению с последней более полярным. Например, для адсорбции бензойной кислоты из водного раствора необходимо использовать неполярный адсорбент – уголь, для адсорбции ее из раствора в бензоле – полярный адсорбент, например, силикагель. Условия, для адсорбции молекул бензойной кислоты окажутся неблагоприятными, если использовать силикагель для водного раствора, т.к. в этом случае произойдет адсорбция полярных молекул воды.

Для оценки адсорбируемости веществ и условий выбора того или иного адсорбента в конкретных случаях П.А. Ребиндер в 1927 году предложил правило уравнивания полярностей, заключающееся в том, что вещество может адсорбироваться на поверхности раздела фаз, если в результате его адсорбции будет уравниваться разность полярностей этих фаз, т. е. по полярности это вещество должно занимать промежуточное положение между веществами, определяющими фазы. Или более кратко можно сформулировать так: процесс адсорбции идет в сторону выравнивания полярностей фаз и тем сильнее, чем больше первоначальная разность полярностей.

Адсорбция из растворов имеет огромное значение для большинства физико-химических процессов, происходящих в растительных и животных организмах. Явления химических превращений при усвоении пищи обычно начинаются с накопления реагирующих веществ у поверхности ферментов. Проникновение веществ через полупроницаемые перегородки в организме также обычно начинается с явления адсорбции, происходящего на поверхности раздела.

Такие твердые поверхности, смачиваемые водой, называются гидрофильными, то есть любящими воду. Гидрофильные поверхности имеют такие минералы, как кварц, кальцит и др. Поверхности, на которых вода не растекается и образует тупой краевой угол, называются гидрофобными, т.е. боящимися воды. Такие поверхности имеют сажа, парафин, жиры, сера, графит, листья растений, хитиновый покров насекомых, кожа животных и др.

Адсорбция растворенных веществ твердыми адсорбентами зависит от смачивания, и чем лучше данный растворитель смачивает поверхность адсорбента, тем меньше адсорбция молекул растворенного вещества из данного растворителя на этой поверхности, и наоборот, если растворитель плохо смачивает данную твердую поверхность, то адсорбция молекул растворенного вещества на ней будет велика.

Растворитель сильно понижает поверхностное натяжение адсорбента, если он хорошо смачивает его поверхность. В этом случае поверхность адсорбента покрывается слоем адсорбированных молекул растворителя, и на поверхности адсорбента не остается места для молекул растворенного вещества. Если же растворитель не смачивает поверхность адсорбента, то для адсорбции растворенного вещества на его поверхности остается достаточно места.

При необходимости гидрофильную поверхность можно сделать гидрофобной, а гидрофобную – гидрофильной с помощью ПАВ. Например, поверхности кожи рук, столовой посуды, белья от загрязнения жировыми веществами перестают смачиваться водой и становятся гидрофобными. Использование мыла делает эти поверхности вновь гидрофильными.

При контакте, например, крови с твердыми поверхностями, ее свертывание начинается с прилипания тромбоцитов к твердой поверхности. Поэтому при отборе крови и при изучении тромбоцитов стеклянные поверхности, для придания им гидрофобности, обрабатывают специальными кремнийорганическими соединениями.