АДСОРБЦИЯ

Явление адсорбции было открыто во второй половине XVIII века. Шееле в 1773 г. и Фонтана в 1777 г. наблюдали поглощение газов углем, а русский химик Т. Е. Ловитц в 1785г. применил уголь для очистки водных растворов. Адсорбцией называется изменение концентрации вещества на поверхности раздела двух фаз.

Адсорбция является частным случаем сорбции, т. е. процесса поглощения вещества твердыми и жидкими телами. Твердое тело или жидкость, на поверхности которых про­исходит адсорбция, называется адсорбентом, а вещество, скопляющееся на поверхности адсорбента - адсорбтивом или адсорбируемым веществом. Величина адсорбции определяется поверхностной концентрацией адсорбируемого вещест­ва, выражаемой числом молей, приходящихся на 1 см²поверхности адсорбента. Процессы адсорбции имеют широкое применение на практике. Так, адсорбция отравляющих газов активированным углем применяется в военном деле. Процессы извлечения веществ из разбавленных растворов, процесс крашения, гетерогенный ка­тализ связаны с явлением адсорбции.

Явле­ние адсорбции обусловлено наличием некомпенсированного силового поля у молекул, атомов или ионов, находящихся в поверхностном слое адсорбента. Эта ненасыщенность сил притяжения поверхностных молекул создает избыточную сво­бодную энергию поверхности, называемую поверхностной энергией. Поверхностная энергия, отнесенная к 1 см²поверх­ности тела, называется поверхностным натяжением и обозначается σ (сигма).

В процессе адсорбции происходит уменьшение свободной энергии поверхности вследствие притяжения к последней частице адсорбируемого вещества, причем адсорбция зависит от природы адсорбента и адсорбируемого вещества, от темпе­ратуры, давления газа и концентрации растворенного ве­щества. С кинетической точки зрения адсорбция является обратимым процессом, так как одновременно с адсорбцией проис­ходит процесс десорбции, когда адсорбированные молекулы вследствие кинетического движения уходят с поверхности ад­сорбента в газовую фазу.

Концентрация вещества в газовой фазе, соответствующая состоянию адсорбционного равновесия, называется равновесной концентрацией. При изучении адсорбции веществ на жидких поверхностях наиболее удобным методом является измерение поверхностного натяжения жидкости, так как последнее может быть точно измерено. Величина поверхностного натяжения чистых жидкостей при постоянной температуре постоянна. При растворении в жидкости различных веществ, происходит изменение поверхностного натяжения жидкости, причем одни
вещества понижают поверхностное натяжение, другие - повышают.

Вещества, понижающие натяжение жидкостей, называются поверхностно-активными (ПАВ). Поверхностно-активными веществами являются органические кислоты и их соли, спирты, амины, некоторые красители, белковые вещества. Вещества, оставляющие поверхностное натяжение жидкости неизменным или слегка повышающие его, называются поверхностно - инактивными. К поверхностно-инактивным веществам в водных раст­ворах относятся неорганические соли, гидроксиды окисей метал­лов, углеводы. Изменение поверхностного натяжения жид­кости связано с адсорбцией вещества на поверхности жидко­сти. Зависимость между поверхностной концентрацией адсор­бированного вещества и поверхностным натяжением характе­ризуется уравнением Гиббса:

Г= -С/ RТ dσ /dC (57)

где Г-количество молей адсорбированного вещества, приходящееся на 1 см² поверхности, т. е. поверхностная концентрация адсорбтива;

R - газовая постоянная;

Т - абсолютная температура;

С- равновесная концентрация.

При адсорбции из растворов вещества могут адсорбиро­ваться в виде молекул и в виде ионов. Если вещество адсорби­руется в виде молекул, то такая адсорбция называется моле­кулярной, или неполярной; если вещества адсорбируются в виде ионов, то адсорбция называется ионной или полярной.

Процесс молекулярной адсорбции на твердой поверхности характеризуется уравнением изотермы адсорбции Ленгмюра, выведенным на основе молекулярно-кинетической теории, выражающим зависимость, величины адсорбции от концентрации при постоянной температуре:

Г=Г_макс /К + С (58)

Г-величина адсорбции в молях на единицу массы адсорбента;

Г_макс- величина адсорбции при образовании насыщенного слоя;

С - равновесная концентрация; К - постоянная величина, численно равна той равновесной концентрации, при которой половина поверх­ности адсорбента занята молекулами адсорбтива, а половина свободна. На практике, для характеристики адсорбции из растворов, широко применяется эмпирическое уравнение Фрейндлиха, дающее хорошие результаты в умеренных концентрациях:

Х = KС ^1/n, (59)

где

X- количество молей вещества, адсорбированное единицей массы адсорбента;

С-равновесная концентрация адсорбтива;
К и 1/n -эмпирические константы (постоянные величины, находимые опытным путем).

Расчеты производятся по уравнению, переписанному в логарифмической форме:

lgХ =lgK+1/n lgС, (60)

Полярная или ионная адсорбция имеет место при адсорб­ции из растворов электролитов. Так как ионные системы сум­марно электронейтральны, то процесс поглощения ионов од­ного знака, сопровождается особыми явлениями, связанными с изменением распределения электрических зарядов в системе. Различают два вида полярной адсорбции: обменную и специфическую. При обменной адсорбции процесс поглощения ад­сорбентом ионов одного знака сопровождается выходом из адсорбента в раствор ионов того же знака, т. е. между адсор­бентом и раствором происходит обмен ионами.

Такие процессы, как взаимодействие минеральных веществ с почвой, поступление питательных веществ из почвы в клет­ки растений, приготовление обессоленной воды и другие, имеютв основе обменную адсорбцию. При специфической или ад­сорбции потенциалоопределяющих ионов одновременно с ад­сорбированными ионами происходит поглощение противоположно заряженных ионов, причем образуется двойной элект­рический слой ионов. Процессы образова­ния коллоидов, изменения их состояния связаны с адсорбцией потенциалоопределяющих ионов и обменной.

 

Разделение катионов Ag⁺, Pb ²⁺, Hg²⁺ бумажной хроматографией.

Приборы и реактивы: фильтровальная бумага, микрошприц, кисточка, пинцет, растворы солей: HgCl₂, Hg₂Cl₂, AgNO₃, Pb(NO₃)₂

Фильтровальную или хроматографическую бумагу с плотностью 75 г/см погрузить в раствор иодида калия на 3–5 минут в чашку Петри. Бумагу извлечь пинцетом, высушить над плиткой.

В химический стакан налить по 0,5мл растворов HgCl₂, AgNO₃, Pb(NO₃)₂ . На центр фильтровальной (хроматографической) бумаги нанести каплю смеси, после полного растекания раствора, нанести еще каплю смеси, потом 2–3капли дистиллированной воды, далее раствор смеси и так далее (3–5раз). Полученную первичную хроматограмму высушить, при этом на бумаге должны появиться цветные кольца: в центре бумаги зеленое пятно – иодида ртути (Hg₂J₂), далее красная зона иодида ртути HgJ₂, потом светло–желтая зона иодида серебра – AgJ и желтая зона иодида свинца PbJ₂. При получении первичной хроматограммы катион Ag⁺ препятствует обнаружению катиона Pb²⁺. Поэтому первичную хроматограмму нужно проявить раствором гидроксида натрия. Для этого кисточку смачивают раствором NаОН и проводят по поверхности бумаги от центра к краю. На вторичной хроматограмме зона иодида свинца обесцвечивается, образуется плюмбит натрия–Nа₂PbО₂. Зона иодида свинца обесцвечивается, образуется оксид серебра– AgО₂ . Вторичную хроматограмму высушить и наклеить в лабораторную тетрадь.

Контрольные вопросы

 

1.Что называется адсорбцией?

2.Что такое адсорбент, адсорбат?

3.Какие вещества называются ПАВ?

4.Как влияет температура и концентрация адсорбата на адсорбцию?

5.Что такое обменная адсорбция?

6.В чем суть обменной, молекулярной адсорбции?

7.Изотермы Ленгмюра, Фрейндлиха.

8.Уравнение Гиббса.

9.Практическое применение адсорбционных явлений.

10.Почему уголь нашел применение в противогазе Н.Д. Зелинского?

 

Задачи

 

1.Рассчитать, сколько органической кислоты может быть поглощено почвой,

если в почвенном растворе установилась равновесная концентрация 12,1 моль/л., Константы уравнения Фрейндлиха равны: К=1,5, 1/n =0,15.

2.Рассчитать, сколько органической кислоты может быть поглощено почвой, если в почвенном растворе установилась равновесная концентрация 2,3 моль/л. Константы уравнения Фрейндлиха равны: К=2,5, 1/n =0,6.

3.Вычислить постоянные в уравнении Фрейндлиха, если навеска адсорбента составляет 1г, концентрация уксусной кислоты до адсорбции равна 0,55 после адсорбции 0,51, объем кислоты составил 2,5 10^–5. (Для решения задачи необходимо построить график зависимости lg/m от lgC_р )

4. Определить количество уксусной кислоты, адсорбированной углем из раствора, объемом 0,07 м³ (Концентрация уксусной кислоты до адсорбции 0,5 моль/л, после адсорбции 0,43 моль/л)

5.Определить количество уксусной кислоты, адсорбированной углем из раствора, объемом 0,01 м³ (Концентрация уксусной кислоты до адсорбции 0,03 моль/л, после адсорбции 0,021 моль/л).