Лекция : п о в е рх н о с т ы е я в л е н и я

И

АДСОРБЦИЯ.

Многие биологические системы являются гетерогенными,т.е. состоит из нескольких фаз,отдельных друг от друга поверхностью раздела. Любая поверхность характеризуется некоторым запасом энергии,называемой поверхностной энергией. Ее создают некомпенсированные силовые поля частиц поверхностного слоя,которые направлены в окружающую среду.

граница раздела фаз.

Поверхностная энергия зависит от величины поверхностного натяжения ( ) и площади поверхности (S):

F = G S

В свою очередь поверхностное натяжение определяется изменением энергии Гиббса ( G), приходящейся на единицу поверхности S.

Поверхностная энергия подчиняется основным законам термодинамики:

1. поверхностная энергия может переходить в химическую,электрическую, и др. виды энергии.Это согласуется с 1 законом Т.ДМ.

2. поверхностная энергия может быть причиной самопроизвольных процессов,определяемых изменением энергии Гиббса- это согласуется со 11 законом ТДМ.

Из термодинамики известно,что любая система стремиться обладать минимальным запасом энергии. Уменьшение свободной поверхности энергии можно достигнуть двумя путями:

1. Либо путем уменьшения поверхности за счет изменения ее формы,или укрупнения частиц.Этим, например, объясняется шарообразная форма капель жидкостей,а мелкие капли воды тумана стремятся объединиться в более крупные,что приводит к выпадению осадков.

2. Либо путем поглащения поверхностью одного вещества частиц другого вещества.Этот процесс называется сорбцией.

Вещество,поверхность которого обладает избыточной энергией,называется сорбентом (поглатитель ).Вещество,которое снижает поверхностную энергию, назвается сорбатом (поглащаемое вещество ).

Если подвижные частицы сорбата накапливаются только в поверхностном слое сорбента,то процесс называется адсорбцией (адсорбент,адсорбат),а если по всему объему сорбента – абсорбцией (абсорбент,абсорбат).

Если взаимодействие между сорбатом и сорбентом ограничивается лишь слабыми межмолекулярными взаимодействиями ( силами Ван- дер-Ваальса),процесс носит название – физической сорбции.

Она характеризуется обратимостью,уменьшением адсорбции,при повышении температуры,небольшими тепловыми эффектами. Если же в процессе сорбции участвуют ковалентные (или ионные) связи и обзазуются новые соединения,то такой процесс называется хемосорбцией.Здесь сорбция почти необратима,тепловой эффект близок к энергии образования химических соединений. Деление на физическую и химическую сорбции условно.

АДСОРБЦИЯ НА ЖИДКИХ АДСОРБЕНТАХ.

(ж –г,ж – ж, ж – т).

Об адсорбционной способности жидких адсорбентов судят либо по величине поверхностного натяжения ( ),либо по величине адсорбции (а),рассчитываемой по формуле : (Со – С ) V

А =------------------

S

Где Со – начальная концентрация адсорбата,моль дм

С - равновесная концентрация адсорбата,моль дм

V - объем адсорбента,дм .

S - площадь адсорбента , м .

С увеличением концентрации адсорбата (с),величина адсорции (а) возрастает и достигает максимального значения (Амах),при полном насыщении поверхности.

Зависимость величины адсорции от концентрации адсорбата при постоянной температуре называется изотермой адсорбции, и выражается графически:

Математически эта взаимосвязь характеризуется уравнением Гиббса :

C

А =----------------------

R T

Где С – равновесная концентрацияч адсорбата, моль дм .

R – универсальная газовая постоянная

Т - температура,К

- поверхностное натяжение,Дж м .

Важной характеристикой является величина мера поверхностной активности адсорбата.

Она показывает, на какую величину изменяет поверхностное натяжение 1 моль адсорбата. По знаку адсорбаты делятся на поверхностно-активные вещества (ПАВ) и поверхностно- неактивные вещества.

1. ПАВ – обладают низким поверхностным натяжением <O, поэтому уравнение Гиббса следует,что А > O.

ПАВ вызывают положительную адсорбцию,т.к. они не растворяются в жидком адсорбенте,а концентрируются в поверхностном слое. Характерной особенностью строения молекул ПАВ является их дифильность (двойственность). Они состоят из двух частей – полярной группы ( -ОН,NH ,-СООН) и неполярного углеводородного радикала. Полярные группы хорошо гидратируются и обуславливают сродство ПАВ в воде (гидрофильность ).

В отличии от них углеродные радикалы гидрофобны. Они не взаимодействуют с водой не сольватируются молекулами неполярных растворителей. Схематически дифильные молекулы изображают в виде символа, в котором прямой чертой обозначен углеводородный (неполярный ) радикал,а кружком – полярная группа. У\ в полярная

----------------------------О----------------

радикал группа

Поверхностная активность ПАВ зависит от длины углеводородного радикала. Эта зависимость выражается радикалом Траубе (1891 ): поверхностная активность ПАВ с удлинением углеродного радикала на группу –СН - повышается в 3- 3,5 раза.

В адсорбционном слое молекулы ПАВ располагаются упорядоченно.На границе раздела фаз полярные группы молекул ПАВ ориентируются в сторону более полярной фазы,а углеводородный роадикал в сторону менее полярной азы.

Это свойство молекул ПАВ широко распространено в в природе,поэтому принципу устроены клеточные мембраны.

Согласно современнгым представлениям основой клеточных мембран являются два слоя молекул фосфолипридов,которые полярными гидрофильными концами направлены наружу,а гидрофобными углеродными радикалами к центру мембраны. На полярных группах молекул фосфолипидов адсорбционы слои белков и полисахаридов.

\ схема .\

Большинство веществ,входящих в состав живого организма,являются поверхностно-активными. Они принимают участие во многих физиологических процессах.

Например,типичными ПАВ являются выскомолекулярные жирные кислоты. На процессы усвоения жиров влияют соли желчных кислот,которые обладая очень низкими поверхностным натяжением,являются прекрасными эмульгаторами жиров. Именно в виде эмульсии жиры легко усваиваются организмом.

ПАВ широко применяюся в фармации в качестве основы для приготовления эмульсий,мазей,свечей.

ПОВЕРХНОСТНО – НЕАКТИВНЫЕ ВЕЩЕСТВА.

К ним относятся растворы электролитов. Они характеризуютсмя большим поверхностным натяжением > O, а поэтому а<O. Эти веществав растворяются по всему объему сорбента,а не на его поверхности.

Адсорбция на твердых адсорбентах.

(m-ж) (m – г).

О поверхностной энергии твердых сорбентов судят по величине адсорбции (а),которую рассчитывают по формуле:

(Со – С) V

А =----------------------- ,где

M

Со – начальная концентрация адсорбата моль дм

С - равновесная концентрация адсорбата моль дм ,

V -объем раствора,дм .

M – масса адсорбента,г.

Твердые сорбенты можно разделить на гидрофильные и гидрофобные.

Гидрофильные сорбенты хорошо смачиваются водой (глина,силикагели …), а гидрофобные не смачиваются водой ( угли,тальк,парафин …)

На неполярных адсорбентах лучше адсорбируются неполярные адсорбенты,а на полярных адсорбентах – полярные адсорбаты.

Поверхность твердых адсорбентов не однородно за счет трещин,царапин,выступов и пр. На практике стараются получать адсорбентьы с большой поверхностью,для этого их поверхность увеличивают.

Пористый адсорбент избирательно поглащает адсорбент,у которого размеры частиц меньше размеров пор адсорбента.

Сорбенты с размерами пор от 2 до 200 нм ( направл.активированный гранулированный уголь), используемые для очистки крови от токсических веществ,называются гемосорбентами,а процесс гемосорбцией.

В медицинской практике этот метод применяется при почечной и печеночной недостаточности,при перитонитах,при сильных отравлениях снатворными,нейролептическими,фосфороорганическими соединениями.

Электролитная адсорбция.

Эта адсорбция ионов из раствора электролита на полярном адсорбенте.Апдсорбция ионов носит обменный характер и отличается высокой избирательностью(селективностью)(специфичностью). Она состоит в накоплении на твердом адсорбенте либо катионов,либо анионов. На избирательность оказывает влияние природа адсорбента,природа адсорбируемызх ионов ( заряд,величина радиуса,степень гидратации), а также рН среды.

Электролитная адсорбция подчиняется 4 правилам,отражающим ее избирательный характер.