Хроматография и другие области использования адсорбции.

Раздел

1. Сущность адсорбции. Как поверхностное явление.

Процесс самопроизвольного концентрирования вещества на поверхности какого-либо тела называется адсорбцией (поглощением). адсорбция возможна на любой поверхности раздела фаз: между жидкостью и газом, между твер-

дым телом и газом, между двумя несмешивающимися жидкостями, между твердым телом и жидкостью.

Тела, на поверхности которых происходит адсорбция, называются адсорбентами. Обычно – это твердое тело с развитой поверхностью.

Адсорбирующиеся на поверхности адсорбента вещества называют адсорбтивом. Глубину протекания адсорбции характеризуют удельной адсорбцией, которая определяется как количество адсорбтива (в моль) адсорбировавшегося на поверхности адсорбента, площадью в 1м² : Г_S = n/S, моль/м². n – число моль адсорбтива, адсорбированного адсорбентом,

Определение площади поверхности адсорбента – операция довольно трудоемкая, поэтому на практике удельную адсорбцию относят к 1 кг адсорбента:

Г_m = n/m, моль/кгn – число моль адсорбтива, адсорбированного m кг адсорбента.

Гиббс на основании второго закона термодинамики вывел уравнение (уравнение изотермы адсорбции Гиббса) Г_S = -

с – равновесная концентрация адсорбтива в объеме фазы.

ơ – коэффициент поверхностного натяжения.

Если же вещество не только не адсорбируется а, более того, отделяется от поверхности тела. Это явление называют отрицательной адсорбцией ,или десорбцией.

Уравнение Гиббса позволяет также определять и характер зависимости удельной адсорбции от температуры и равновесной концентрации адсорбтива в среде, окружающей адсорбент. Согласно уравнению Гиббса, удельная адсорбция обратно пропорциональна абсолютной температуре системы.

дифильностью– одновременным сродством к растворителям полярного и неполярного типов.

правилу Дюкло – Траубеувеличение углеводородной части молекулы карбоновой кислоты на одно звено -СН₂ - повышает поверхностную активность вещества приблизительно в 3,2 раза.

уравнение изотермы адсорбции – уравнение Лэнгмюра

Г = Г_∞ ; Г_∞– максимальная удельная адсорбция; k – постоянная, характеризующая систему при данной температуре.

Необходимо, однако, отметить, что уравнение изотермы адсорбции Лэнгмюра и выводы из него справедливы лишь для случая мономолекулярной адсорбции, т.е. для низких концентраций адсорбтива и достаточно высокой температуры.

Найдено, что при высоких концентрациях адсорбтива, особенно при низких температурах (ниже критической), он поглощается поверхностью адсорбента в несколько слоев. Это явление называется полимолекулярной адсорбцией.

Типы адсорбции.

При адсорбции одновременно происходит как физическое, так и химическое взаимодействие между адсорбентом и адсорбтивом. В зависимости от того, какой вид взаимодействия преобладает, различают физическую и химическую адсорбции.

Обычно указанные виды взаимодействия в разной мере проявляются на различных этапах процесса адсорбции. физическая адсорбция – основная причина полимолекулярности адсорбции при высоких давлениях и концентрациях адсорбтива. Мономолекулярная адсорбция заканчивается при низких давлениях и концентрациях адсорбтива и объясняется насыщением химических сил взаимодействия.

В отдельных случаях химические силы взаимодействия преобладают над физическими настолько, что адсорбция практически полностью протекает под действием первых. В таких случаях ее называют химической адсорбцией или хемосорбцией. Хемосорбция подобна химической реакции и обычно сопровождается образованием поверхностных соединений. Для хемосорбции характерен значительный тепловой эффект, соизмеримый с теплотами химических процессов, чем она заметно отличается от физической адсорбции.

При адсорбции из растворов наряду с нейтральными частицами поглощаются и ионы; такой процесс называетсяионной адсорбцией.

По своей природе она близка к хемосорбции. Характерная особенность ее – избирательность (селективность), подчиняющаяся правилу Панета-Фаянса:

на поверхности твердого тела предпочтительней адсорбируются ионы, способные достраивать его кристаллическую решетку или образовывать с ионами, входящими в состав его кристаллической решетки, наиболее трудно растворимые соединения.

Хроматография и другие области использования адсорбции.

Применять адсорбцию для разделения смесей на компоненты впервые предложил в 1903 г. русский ученый М.С. Цвет. Разработанный им способ разделения смесей был назван хроматографией.Вначале хроматографию использовали для исследования биологических объектов и растворов, а в 1950-е гг. ее начали успешно применять и для анализа газовых смесей. Высокая чувствительность, скорость, точность и простота хроматографического анализа газов способствовали интенсивному развитию нефтехимии и других отраслей промышленности органических веществ. Разделение смеси при хроматографическом анализе принципиально выглядит следующим образом. В трубку, равномерно наполненную адсорбентом, с постоянной скоростью подают какой-либо легкий газ (водород, гелий и т.п.). Если с этим потоком газа ввести в трубку смесь, состоящую из веществ, обладающих различной адсорбционной способностью относительно данного адсорбента, то произойдет “растаскивание “ компонентов смеси по длине трубки. Объясняется это тем, что компоненты смеси испытывают в своем движении вдоль трубки различное “тормозящее “ действие адсорбента. Более всего тормозится движение компонента, обладающего наивысшей способностью к адсорбции: скорость продвижение его вдоль трубки с адсорбентом минимальна.

Остальные компоненты, обладающие меньшей способностью к адсорбции, испытывают на себе меньшее тормозящее действие адсорбента и поэтому отделяются от первого компонента, “уходят “ от него вперед. Чем выше способность к адсорбции компонента смеси, тем меньше скорость его перемещения вдоль слоя адсорбента в трубке. По этой причине по истечении некоторого времени введенная смесь разделяется на компоненты.

Адсорбция нашла применение и в других областях деятельности человека. В 1915 г. по предложению академика Н, Д. Зелинского был изготовлен первый в мире противогаз, принцип действия которого основан на адсорбции отравляющих веществ активным углем.

В химической технологии адсорбцию используют для очистки нефтепродуктов от малых содержаний воды, соединений серы, селена, мышьяка, фосфора и т. п.; для разделения смесей на составляющие их компоненты; для очистки газов и т.д. Благодаря трудам Н. Д. Зелинского и его ученика А. А. Баландина (1898-1967) особое место в химической технологии заняла адсорбция на катализаторах.

Важную роль адсорбционные процессы играют при обогащении полезных ископаемых – флотации.

Флотация – метод обогащения руд, а также полезных ископаемых (углей, апатитов, серы, графита), заключающийся в разделении частиц ценного минерала от пустой породы.

Моющее действие мыла и других стиральных препаратов основывается также на процессах адсорбции частиц