Явления смачивания

Обменная адсорбция

Ионная адсорбция

Адсорбция электролитов зависит от природы адсорбента. Ионы, способные поляризоваться, адсорбируются только на поверхности из полярных молекул или ионов. Чем больше радиус иона адсорбата при одинаковом заряде, тем лучше он адсорбируется. Это обусловлено большей поляризуемостью и меньшей гидратацией больших ионов. По способности адсорбироваться можно составить следующие ряды:

Li⁺ < Na⁺ < K⁺ < Rb⁺ < Cs⁺;

Mg²⁺ < Ca²⁺ < Sr²⁺ < Ba²⁺ ;

Cl^- < Br^- < NO₃^- < I^- < SCN^- ;

K⁺ << Ca²⁺ << Al³⁺ << Th⁴⁺ .

 

Обменная адсорбция наблюдается в том случае, если на поверхности адсорбента уже адсорбирован ион. Тогда обмен может идти между двойным электрическим слоем адсорбента и средой. Обмен ионами при этом происходит в эквивалентных количествах.

Для обменной адсорбции имеет место ряд особенностей.

1. Обменная адсорбция специфична: к обмену способны только определенные ионы. Различают кислотные и основные адсорбенты. Кислотные адсорбенты обменивают с растворами катионы, а основные – анионы. Существуют и амфотерные адсорбенты, способные на обмен ионов обоих видов.

2. Обменная адсорбция не всегда обратима.

3. Обменная адсорбция протекает медленнее, чем молекулярная адсорбция.

4. При обменной адсорбции может меняться рН среды.

Пример адсорбции:

адсорбент^-H⁺ + Na⁺ + Cl^- ® адсорбент^-Na⁺ + H⁺ + Cl^-;

адсорбент⁺OH^- + Na⁺ +Cl^- ® адсорбент⁺Cl^- + Na⁺ + OH^- .

Обменная адсорбция имеет большое значение в биологии, земледелии, технике. Почва поглощает ионы калия, аммония, выделяет ионы кальция, магния, почти не поглощает хлорид-, нитрат-, сульфат-ионы. Способностью к поглощению обладает высокодисперсная смесь нерастворимых алюмосиликатов почвы. Для очистки воды, концентрирования растворов широко применяются ионообменные смолы.

Обменная сорбция наблюдается на угле, хотя он не обладает полярностью. Для объяснения этого факта А. Н. Фрумкин предложил следующую схему. Уголь адсорбирует молекулу водорода, который при контакте с адсорбентом образует ион водорода:

угольH₂ ® уголь^2-2H⁺

Этот комплекс способен к ионному обмену:

уголь^-H⁺ + Na⁺ + Cl^- ® уголь^-Na⁺ + H⁺ + Cl^-.

С кислородом:

угольО₂ ® уголь⁴⁺2О^2-,

уголь²⁺ O^2-+ Н₂О ® уголь²⁺2ОН^-,

уголь⁺ OH^-+ Na⁺ + Cl^- ® уголь⁺Cl^- + Na⁺ + OH^-.

 

Смачивание определяется интенсивностью взаимодействия между молекулами разных веществ, и в этом смысле явление близко к адсорбции.

При смачивании твердого тела жидкостью наблюдается растекание капли по поверхности вплоть до образования монослоя. Смачивание не всегда бывает полным, в этом случае между каплей и поверхностью образуется так называемый угол смачивания. Его величина может быть больше, или меньше 90⁰, как это показано на рис. 4.2. Принято проводить измерение угла смачивания со стороны жидкой фазы.

Рис. 4.2. Угол смачивания для жидкостей разной природы

 

Смачивание твердого тела жидкостью можно рассматривать как результат действия сил поверхностного натяжения. Возьмем случай неполного смачивания, представленный на рис.4.3. Окружность капли является границей взаимодействия трех сред: жидкости 1, воздуха 2 и твердого тела 3.

Рис. 4.3. Зависимость краевого угла от поверхностных натяжений на разных границах раздела: 1 – жидкость; 2 – воздух.; 3 – твердое тело

Условие равновесия выражается уравнением Юнга:

s_2,3 = s_1,3 + s_1,2 cosq , (4.4)

или

cosq= (s _2,3 – s_1,3) /s_{1,2 .} (4.5)

 

Смачивание сопровождается уменьшением поверхностной энергии

Если поверхность находится в контакте с полярной водой и неполярным углеводородом, наблюдается избирательное смачивание. В этом случае краевой угол смачивания меньше 90⁰, и такая поверхность называется гидрофильной.

Если твердое тело лучше смачивается неполярным растворителем, то для воды краевой угол смачивания больше 90 ⁰, и поверхность называется гидрофильной.

Избирательное смачивание водой наблюдается тогда, когда разность полярностей между водой и твердым веществом меньше, чем между неполярным углеводородом и твердым веществом. К веществам с гидрофильной поверхностью относятся кварц, корунд, гипс, оксиды и гидроксиды металлов, целлюлоза.

Избирательное смачивание неполярным углеводородом наблюдается тогда, когда разность полярностей между углеводородом и твердым веществом меньше, чем между веществом и водой. К гидрофобным веществам относятся углеводороды, сульфиды тяжелых металлов, тальк, графит, сера.

Краевой угол измеряют экспериментально, хотя при этом существует ряд трудностей. На величину угла оказывают влияние следы загрязнений поверхности, наличие пленки окисла, адсорбированный воздух, шероховатость, условия образования поверхности.

Смачивание играет большую роль в технологических процессах, например, при флотации. В основе метода лежит использование различий в смачиваемости разделяемых частиц водой. Рассмотрим поведение малых гидрофобных и гидрофильных частиц на границе раздела вода–воздух и вода–масло. Гидрофильные частицы на обеих границах будут втягиваться в воду и тонуть. Гидрофобная частица остается на границе раздела при условии, что она не очень тяжелая.

Сернистые соединения руд более гидрофобны, чем пустая порода (кварц). Для большей эффективности в пульпу вводят воздух (пенная флотация). При всплывании пузырьки собирают на своей поверхности те частицы, на которых вода образует большой краевой угол. Так на поверхности пульпы образуется минерализованная пена, которую удаляют в виде концентрата. Оптимальный размер зерен минерала при флотации 0,15–0,01 мм.

Для повышения эффективности флотации применяют коллекторы. Это дифильные органические соединения, которые адсорбируются на поверхности минерала так, что полярная часть обращена к адсорбенту, а радикал наружу. Гидрофобность частицы при этом возрастает. Часто для этих целей используют ксантогенаты – ROCS₂M, где М – щелочной металл.

Близка к явлениям смачивания и адсорбции адгезия. Это явление возникает в том случае, когда две взаимно нерастворимых жидкости или жидкость и твердое тело, или два твердых тела приводятся в соприкосновение и прилипают друг к другу под действием межмолекулярных сил.

Работа адгезии двух жидкостей определяется по уравнению Дюпре.

A/s = s _1,2 + s _2,3 – s _1,3 , (4.6)

Для системы жидкость – твердое тело

А/s = s_1,2 + s_1,2cosq = s_1,2(1 + cosq), (4.7)

Кроме адгезии различают еще когезию: слипание двух слоев одного и того же вещества.