Глава 5. Поверхностные явления
Изучение данной темы способствует формированию следующих компетенций: ОК-1, ПК-2, ПК-3, ПК-5.
5.1. Адсорбция на твердой поверхности
Теоретическое пояснение: твердое тело или жидкость, на поверхности кото-рых происходит адсорбция, называется адсорбентом, а адсорбирующееся вещество – адсорбатом или адсорбтивом. Процесс самопроизвольного накопле-ния вещества на границе раздела фаз называется адсорбцией (Г). Она выражается количеством вещества, адсорбированного единицей поверхности или массы (моль/м2 , моль/г).
Адсорбция, осуществляющая под действием сил Ван-дер-Ваальса и водород-ных связей, называется физической, а адсорбция, в основе которой лежит воз-
73
никновение ковалентных связей между молекулами адсорбента и адсорбтива,
называется химической или хемосорбцией. Физическая адсорбция представляет обратимый процесс и сопровождается десорбцией (освобождением поверхности от адсорбированного вещества). Между адсорбцией и десорбцией устанавливает-ся динамическое равновесие, положение которого зависит от температуры. По-вышение температуры понижает физическую адсорбцию и усиливает химичес-кую адсорбцию. Десорбция осуществляется разрушением адсорбента, измене-нием температуры и снижением сил адсорбционного взаимодействия. Послед-няя широко используется в виде элюции. Элюция – это смена граничащей с адсорбентом фазы, например раствора, в целях десорбции вещества. При элюции адсорбированное вещество вытесняется с адсорбента молекулами нового раство-рителя или в результате понижения адсорбционного сродства веществами, рас-творенными в новом растворе (чаще всего путем изменения заряда молекул ад-сорбента и адсорбтива вследствие изменения рН или ионной силы раствора).
Характерным признаком адсорбции является её избирательность (специфич-ность). Это означает, что каждый адсорбент адсорбирует одно или несколько определенных веществ. Избирательность адсорбции предполагает случайное совпадение в распределении электронной плотности молекул адсорбента и адсорбтива по типу «ключ – замок», т.е. химическое сродство между адсор-бентом и адсорбтивом.
Адсорбция на твердой поверхности имеет некоторых особенностей. Твердая поверхность физически неоднородна. На ней имеются активные центры (выс-тупы, углубления), на которых протекает адсорбция молекул газа или жидкости. Твердая поверхность молекулярно неподвижна и поверхностное натяжение на твердой поверхности невозможно измерить. По своей природе адсорбция на поверхности твердого тела полимолекулярна, т.е. поверх первого слоя адсорби-рованных молекул могут адсорбироваться несколько слоев их. Однако при небольшой концентрации адсорбируемого вещества образуется только один слой адсорбированных молекул. Ленгмюр считал, что адсорбция на твердой поверх-ности имеет мономолекулярную природу, т.е. адсорбция продолжается до тех пор, пока поверхность не будет полностью покрыта адсорбированными молеку-лами. Дополнительная адсорбция, т.е. образование 2-го, 3-го или большего коли-
чества
слоев невозможно. Исходя из этих
представлений он вывел количествен-ную
зависимость между величиной адсорбции
и концентрацией адсорбтива при постоянной
температуре:
,
где Г – величина адсорбции, т.е. разность концентраций вещества на поверх-ности и в прилегающем (жидком или газофазном) слое; Гmaкс – предельная величина адсорбции, достигаемая при плотном заполнении мономолекулярного слоя; С – равновесная концентрация; К – константа равновесия, равная отношению констант скоростей десорбции и адсорбции.
Адсорбция из растворов на твердой поверхности играет важную роль в про-цессах образования, разрушения и устойчивости коллоидных систем. С ней свя-
74
заны процессы очистки и рекуперации, извлечения из растворов ценных при-
месей, усвоения живыми организмами питательных веществ и др.
Экспериментально
количество адсорбированного вещества
на твердой поверх-ности определяют
путем измерения концентрации раствора
до адсорбции (Со)
и равновесной концентрации после
адсорбции (Ср):
,
ммоль/г,
где V – объем раствора; m – масса адсорбента.
В случае адсорбции на пористых адсорбентах было установлено отклонение адсорбции от уравнения Ленгмюра. Для такой адсорбции Фрейндлихом было предложено эмпирическое уравнение: Г = KС1/n, где Г = v(X)/m – величина ад-сорбции (отношение количества вещества к массе адсорбента), ммоль/г; С – рав-новесная концентрация, ммоль/л; K и n – эмпирически подобранные константы.
По уравнению Фрейндлиха адсорбция возрастает без предела, но оно не дает точных значений величин адсорбции в области низких и больших концентраций. Уравнение применяется для описания адсорбции в области средних концен-траций растворов или давлений в случае адсорбции из газовой фазы.
Лабораторная работа