Адсорбция на границе раствор газ уравнение

Адсорбция на границе раздела раствор-газ. Уравнение Гиббса

Любая жидкость стремиться принять такую форму, при которой ее поверхность при данном объеме была бы минимальной (шар). Поверхность жидкости, граничащая с другой средой, обладает свойствами, отличными от свойств остальной массы жидкости. Поверхностный слой жидкости можно рассматривать подобным упругой пленке, стремящейся сжать жидкость. Причина этого состоит в том, что молекулы поверхностного слоя находятся в ином энергетическом состоянии, чем молекулы внутри жидкости. Каждая молекула окружена другими молекулами и силы взаимодействия ее с этими молекулами распределены симметрично.

Благодаря этому, все молекулы внутри жидкости, можно рассматривать как бы пребывающими в состоянии равновесия. В ином положении находятся молекулы поверхностного слоя. Эти молекулы оказываются под действием сил притяжения, преимущественно со стороны жидкости вследствие чего они как бы втягиваются внутрь жидкости. Стремление поверхностных молекул втянуться внутрь, связано с внутренним давлением. Чем выше это давление, тем больше поверхностное натяжение.

Под влиянием внутреннего давления поверхностный слой стремиться сократиться. Этим обстоятельством обусловлено стремление жидкости занять при неизменном объеме минимальную поверхность, например сферическая форма капель. (Силы притяжения, равные внутреннему давлению, втягивают молекулы жидкости с поверхности в глубь объема, уменьшая площадь поверхности до минимально возможной при данных условиях. Этим объясняется шарообразная форма мелких капель жидкости, находящихся в свободном состоянии в аэрозолях, туманах, эмульсиях.)

В чистой жидкости состав поверхностного слоя одинаков с составом ее в объеме. При растворении какого-либо вещества в растворителе возможны три различных случая:

1.растворение данного вещества в растворителе не изменяет поверхностного натяжения растворителя

2. растворение повышает поверхностное натяжение растворителя

3 растворение понижает поверхностное натяжение растворителя.

Так как, поверхностная энергия стремится к минимуму, то в случае, когда растворение повышает поверхностное натяжение поверхностный слой должен быть беднее растворенным веществом, чем раствор в объеме. Наоборот, когда растворение понижает поверхностное натяжение растворителя, концентрация растворенного вещества в поверхностном слое становиться больше, чем в объеме раствора. Обеднение или обогащение поверхностного слоя растворенным веществом идет до тех пор, пока этот процесс не уравновесится диффузией, при которой самопроизвольно происходит переход вещества в более бедную этим веществом часть фазы. Повышение или понижение концентрации растворенного вещества в поверхностном слое раствора является адсорбцией.

При рассмотрении явлений адсорбции растворенного вещества на границе раствор-газ молекулярно-кинетические представления малопригодны. Здесь рассматриваются явления с термодинамических позиций и связывают адсорбцию растворенного вещества с изменением свободной энергии поверхности. Свободная поверхностная энергия F равна произведению поверхности S на поверхностное натяжение δ.

Поверхностное натяжение является важной характеристикой любой жидкости.

δ _Н2О =72,75 ∙10 –3 н/м

δ _{СН3СООН} =27,63 10 –3 н/м.

Поверхностное натяжение находится в связи с величиной внутреннего давления жидкости, чем выше давление, тем больше поверхностное натяжение. Поверхностное натяжение жидкостей уменьшается с повышением температуры и становится равным нулю при критической температуре:

Физический смысл поверхностного натяжения может иметь энергетическое и силовое выражения. Энергетическое выражение в этом случае δ равна работе, затраченной на образование единицы поверхности. Энергетической единицей является дж/м 2 Силовое определение поверхностного натяжения: — это сила, действующая на поверхности по касательной к ней и стремящаяся сократить свободную поверхность тела до наименьших возможных пределов при данном объеме. Единицей измерения является н/м. Поверхностное натяжение определяется экспериментальным путем. Методы измерения делят на :

статистический – метод капиллярного поднятия лежачей или висячей капли, динамический – метод капиллярных волн, колеблющихся струй.

Наличием поверхностного натяжения можно объяснить многие биологические процессы. Например, личинки малярийного комара благодаря поверхностному натяжению подвешиваются к поверхности воды сноими дыхательными трубочками и пользуются кислородом воздуха. Если искусственно понизить поверхностное натяжение воды, то личинки погрузятся в воду и от недостатка кислорода погибнут. Наличием поверхностного натяжения воды можно объяснить, почему водяные пауки, которые бегают в тихую погоду по поверхности небольших водоемов и не тонут.

Свободная поверхностная энергия может быть уменьшена не только за счет уменьшения поверхности, но и за счет поверхностного натяжения и увеличена за счет увеличения δ, что достигается в растворах изменением их состава. Если в растворе содержится вещество, перенос которого в поверхностный слой требует меньше энергии, чем перенос в поверхностный слой молекул растворителя, то будет происходить накопление этого вещества в поверхностном слое. Происходит адсорбция, и растворенного вещества в поверхностном слое станет больше, чем в слое такой же толщины в объеме раствора. Если в растворе содержится вещество, перенос которого в поверхностный слой требует больше энергии, чем перенос молекул растворителя, то будет происходить уменьшение этого вещества в поверхностном слое и растворенного вещества в поверхностном слое станет меньше, чем в слое такой же толщины в объеме раствора.

Количественное соотношение между адсорбцией Г растворенного вещества (1 Кмоль на 1м 2 поверхности) и изменением поверхностного натяжения с концентрацией раствора определяется уравнением Гиббса (1878)

Значение dδ/dC 0 соответствует накоплению вещества в поверхностном слое, т е растворенного вещества больше чем во всем объеме. (положительная адсорбция), если dδ/dC>0 , то Г 0 С –2,7г на 1-00 г воды)

Исследование водных растворов жирных кислот показало, что для них зависимость поверхностного натяжения от концентрации выражается уравнением Б.И. Шишковского (1909)

в и К- постоянные, в- одинаково для всего гомологического ряда, а К увеличивается в 3-3,5 раза для каждого последующего члена ряда в соответствии с правилом Траубе.

Явление адсорбции имеют большое практическое значение. Адсорбция газов и паров на твердых адсорбентах лежит в основе сорбционной техники, применяемой для борьбы с отравляющими и вредными для здоровья газами и парами в воздухе, как для военных целей так и в работе ряда производств. Адсорбция газов и паров имеет первостепенное значение при кондиционировании воздуха.

Большое значение имеет применение адсорбентов (угля, силикагеля) для улавливания паров бензина при химической чистке тканей, сероуглерода — в резиновой промышленности, паров летучих растворителей в производстве лаков, целлулоида, искусственных волокон, кинопленки. С явлениями адсорбции связано получение устойчивых эмульсий, играющих огромную роль в пищевой, кожевенной, фармацевтической и др отраслях промышленности. Адсорбция из растворов нашла применение для хроматографического анализа. Он основан на разделении компонентов раствора, благодаря их различной адсорбируемости, на одном и том же адсорбенте.

Контрольные вопросы

1.Вещества поглотители называются…

2. По линейной изотерме Фрейндлиха можно определить…

3. Ионная адсорбция может протекать по механизмам…

4.Правило открытое Панетом и Фаянсом основано…

5.Важнейшей характеристикой сорбционного процесса является… 6.Сорбатами называются …

7.Твердые поверхности несмачиваемые водой называются

8. Гидрофильными называются поверхности…

9.Гидрофобными называются поверхности…

10.Гетерополярными адсорбентами называются …

12.Количественной мерой процесса смачивания служит…

13.Наиболее глубокое взаимодействие поглощенного ве-щества и поглотителя с образованием нового химическо-го вещества называется

А. Абсорбцией В. Хемосорбцией С. Десорбцией D. Адсорбцией

Е. Капилярной конденсацией

13.Обратный процесс сорбции называется

А. Адсорбцией В. Хемосорбцией С. Десорбцией

D. Абсорбцией Е.Капилярной конденсацией

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.

Лекция 4. Адсорбция на поверхности раствор- газ. Уравнение Гиббса. ПАВ. ПНАВ. Адсорбция газов и растворенных веществ твердыми адсорбентами. Гидрофильные и гидрофобные поверхности.

Различные вещества, растворяясь в одной и той же жидкости, могут повышать или понижать по-верхностное натяжение. Концентрация растворенного вещества при этом в поверхностном слое жидкости и внутри нее неодинаковы: есть вещества, которые адсорбируются из раствора и накапливаются в поверхностном слое, понижая поверхностное натяжение. Другие вещества стремятся уйти вглубь жидкости, незначительно повышая поверхностное натяжение. Т.е. существует определенная зависимость между изменением поверхностного натяжения и адсорбцией на границе раствор- газ и она подчиняется уравнению Гиббса

Адсорбция ПАВ на поверхности жидкостей облегчает вспенивание и эмульгирование, повышает прочность пены, устойчивость эмульсий и т.д. Вещества, вызывающие повышение поверхностного натяжения и не адсорбирующиеся на данной поверхности, называются поверхностно- неактивными (ПНАВ). К таким ( по отношению к воде) относятся многие соли, минеральные кислоты, щелочи, многие органические вещества.

Поверхность твердых тел, так же как и жидкостей, обладает избытком свободной энергии за счет неуравновешенных связей в кристаллической решетке, поэтому на границе раздела твердых тел и газов, твердых тел и жидкостей может происходить адсорбция веществ, понижающих поверхностную энергию. Т.к. адсорбция протекает на поверхности адсорбента, то чем больше его поверхность, тем выше способность к адсорбции. Особое значение имеют при этом неровности поверхностей, т.к. на выступающих участках твердого адсорбента адсорбция идет активнее. Наибольшей поверхностью обладают пористые, порошкообразные вещества, а также коллоидные растворы. Из неорганических адсорбентов широко используется активированный уголь (карболен), силикагель, многие силикаты, карбонаты (мел), фосфаты и пр. Органические сорбенты естественного происхождения большей частью относятся к углеводам: крахмал и целлюлоза. Количество газа или растворенного вещества, адсорбируемое определенным количеством адсорбента, зависит от природы адсорбента, газа или растворенного вещества, давления газа, концентрации раствора и температуры.

Адсорбция растворенного вещества твердым телом зависит от такого свойства, как смачивание. При нанесении капли раствора на поверхность тела возможны три случая:

а) капля растекается по поверхности- жидкость хорошо смачивает поверхность, понижает поверхно-стное натяжение твердого тела с воздухом;

б) капля частично растекается по поверхности, образуя с ней некоторый угол- жидкость медленно смачивает поверхность, частично понижает поверхностное натяжение. Твердые поверхности, которые таким образом смачиваются водой, называют гидрофильными. Это вещества с ионным или сильнополярным строением (соли, кислоты, щелочи и пр.)

в) капля остается на поверхности в виде шарика- жидкость не смачивает поверхность и, соответст-венно, не понижает поверхностного натяжения. Такие поверхности, не смачиваемые водой, называ-ют гидрофобными. К таким относят сажу, парафин, жиры и многие органические с неполярным строением. Твердые адсорбенты применяют для улавливания паров и газов, осветления растворов в производст-ве сахара, глюкозы, способностях моющих и чистящих средств, очистки воды и т.д.

Вопросы и задания для самоподготовки:

1. Как влияет поверхностного натяжения на значение адсорбции?

2. Какие вещества называют поверхностно — активными?

3. Какие вещества называют поверхностно -неактивными?

4. Как протекает адсорбция газов и растворенных веществ твердыми поверхностями?

5. Что такое гидрофобные вещества? Привести пример.

6. Что такое гидрофильные вещества? Привести пример.

Методическая разработка занятия по программе дополнительного образования «Твои открытия» по исследовательской работе учащихся на тему «Адсорбция»

Тема занятия: Адсорбция.

– дать обучающимся представления о адсорбции и поверхностных явлениях; показать многообразие видов адсорбции; изучить законы, описывающие адсорбцию;
– познакомить обучающихся с адсорбентами;
– показать практическое значение адсорбции в различных отраслях промышленности, в природе и повседневной жизни;
– обеспечить усвоение знаний обучающихся на 1 уровне.

– развитие познавательных способностей обучающихся; умения анализировать, сравнивать и обобщать известные факты.

– способствовать дальнейшему воспитанию экологического сознания, развитию патриотического воспитания, знакомя студентов с достижениями русских ученых в исследовании поверхностных явлений и адсорбции.

– дать понятие адсорбции и поверхностных явлениях;
– показать уравнения, описывающие указанные процессы;
– рассмотреть применение адсорбции в повседневной жизни и промышленности;
– показать возможности адсорбции для противодействия загрязнению окружающей среды и пределы этих возможностей.

Тип занятия: изучение нового материала.

Метод проведения: объяснение с элементами беседы, с использованием технических средств, опытов и натуральных образцов.

Наглядные пособия и технические средства обучения:

1. Дидактический раздаточный материал.
2. Компьютер: слайд-фильм с использованием программы-презентации Power Point;
3. Пробирки, воронки, фильтры, растворы йода, крахмала, метиленового синего, метилвиолета, спиртовки, уголь активированный.

Содержание и ход занятия

1. Организация группы.

Проверяет состояние кабинета, отмечает отсутствующих.

2. Мотивация учебной деятельности. Педагог сообщает тему, цели занятия, порядок его проведения.

3. Актуализация опорных знаний.

Педагог задает вопрос: Почему капля воды имеет форму, близкую к форме шара? Что такое поверхностное натяжение?

Ответ: Молекулы поверхностного слоя жидкости на границе с газом обладают запасом потенциальной энергии, то есть поверхностной энергии. С увеличением поверхности возрастает и общая поверхностная энергия. Любая гетерогенная система имеет поверхностную энергию

F = S

где F —общая энергия поверхности; S — площадь поверхности; — удельная (приходящаяся на 1 м 2 ) поверхностная энергия — поверхностное натяжение.

Энергия системы стремится к уменьшению. В гетерогенных системах возможным путем уменьшения поверхностной энергии является сокращение поверхности, и поэтому капля жидкости имеет форму шара (шар имеет минимальную поверхность).

4. Изучение нового материала.

4.1. Адсорбция, её сущность.
4.2. Адсорбция на границе твердое тело–газ.
4.3. Адсорбция на границе твердое тело–раствор.
4.4. Обменная адсорбция.
4.5. Адсорбция из многокомпонентных растворов. Хроматография.
4.6. Адсорбция на границе раствор-газ.
4.7. Адсорбция на границе раздела двух несмешивающихся жидкостей.

4.1. Адсорбция, её сущность.

Поверхность твердых тел самопроизвольно уменьшаться не может, она постоянна. Тогда уменьшение поверхностной энергии происходит при снижении поверхностного натяжения, что происходит при поглощении молекул газа или растворенного вещества поверхностью твердого тела. Поглощение каким-либо веществом других веществ называется сорбцией. Если этот процесс идет только на поверхности, то его называют адсорбцией. Адсорбция — это увеличение концентрации вещества на границе раздела фаз. Если поглощаемое вещество диффундирует вглубь поглотителя и распределяется по объему, то это явление называется абсорбцией. Примером абсорбции может служить поглощение водорода платиной и палладием. При обычной температуре 1 об. ч. палладия может растворить более 700 об. ч. водорода. При нагревании палладия в вакууме водород выделяется. Абсорбцией является также поглощение паров воды серной кислотой.

То вещество (обычно твердое), на поверхности которого идет адсорбция, принято называть адсорбентом, а вещество, которое адсорбируется, — адсорбтивом. Адсорбцию Г обычно выражают количеством адсорбтива х, приходящимся на единицу площади поверхности адсорбента S (моль/м 2 ):

Если адсорбентом является твердое пористое тело, общую поверхность которого определить невозможно, то адсорбцию а относят к единице массы адсорбента m: a = x/m

Вопрос педагога: На границе каких поверхностей может происходить адсорбция?

Ответ: Адсорбция может идти на поверхности раздела фаз: газ — твердое тело, раствор — твердое тело, газ — раствор, жидкость — раствор.

4.2. Адсорбция на границе твердое тело–газ.

Рассмотрим адсорбцию на границе твердое тело-газ. Адсорбция газов и паров твердыми адсорбентами была известна давно. Еще в XVIII в, открыта способность свежепрокаленного древесного угля поглощать газы, а в период первой мировой войны был создан противогаз благодаря работам русского химика Н.Д.Зелинского.

Адсорбция газа на твердом адсорбенте идет самопроизвольно. Одновременно с адсорбцией протекает противоположный процесс — десорбция — переход адсорбированных молекул в газовую фазу. При равенстве их скоростей наступает равновесие: адсорбция — десорбция. С повышением температуры адсорбция уменьшается, а понижение температуры, наоборот, увеличивает адсорбцию. Поэтому адсорбционное равновесие всегда рассматривают при постоянной температуре.

Обучающиеся проводят опыт: В пробирку налить 2-3 мл крахмального раствора и добавить немного иодной воды. Жидкость окрашивается в синий цвет из-за образования адсорбционного соединения иода с крахмалом. Содержимое пробирки нагреть до исчезновения окраски, а затем охладить. Что наблюдается? Как зависит адсорбция и десорбция от температуры? Графическая зависимость адсорбции от равновесного давления при условии постоянства температуры называется изотермой адсорбции.

На рис. 1 показаны две изотермы адсорбции, отвечающие температурам Т₁ и Т₂, причем Т ₁ 1/n

где х — количество адсорбированного газа; m — масса адсорбента; р — равновесное давление газа; К и 1/n — постоянные.

Формула Фрейндлиха применима для сравнительно небольшого интервала средних значений давления, для того интервала, где изотерма адсорбции имеет криволинейный характер. В широком интервале давлений изотерму адсорбции описывает уравнение Ленгмюра:

4.3. Адсорбция на границе твердое тело–раствор

А сейчас рассмотрим адсорбцию на границе твердое тело–раствор. Русский ученый Т.Е. Ловиц впервые предложил применять уголь для очистки спирта от сивушных масел и для удаления из воды неприятно пахнущих веществ (дезодорация воды).

Адсорбция из растворов на твердом адсорбенте — процесс более сложный, чем адсорбция газов, необходимо учитывать взаимодействие растворитель — адсорбент и растворитель — растворенное вещество.

В качестве адсорбентов наиболее часто применяют древесный или костный уголь, силикагель, глины, пористые стекла. Обычный древесный уголь имеет невысокую адсорбционную способность, так как поры его заполнены смолами и продуктами неполного сгорания, образующимися при его получении. Для повышения адсорбционной способности угля его активируют, нагревая в атмосфере водяного пара и тем самым освобождая поры его от ненужных веществ. Удельная поверхность активного угля, т. е. суммарная поверхность всех пор 1 кг угля, может достигать больших значений.

Другим широко применяемым адсорбентом является силикагель – диоксид кремния. Силикагель выпускается в виде пористых крупинок. Новым типом адсорбентов являются пористые стекла, получаемые при удалении из стекол щелочных и щелочноземельных компонентов. Широко используются как адсорбенты предварительно активированные кислотой глины — бентониты, осадочные горные породы — диатомит (кизельгур), трепел. Их применяют для очистки сиропов, соков, масел, нефтепродуктов.

Педагог демонстрирует образцы адсорбентов.

Все адсорбенты можно разбить на два основных типа: гидрофильные, которые хорошо смачиваются водой, и гидрофобные, которые водой не смачиваются, но смачиваются неполярными органическими жидкостями. К гидрофильным адсорбентам относятся силикагель, глины, пористое стекло. Их не следует применять при адсорбции растворенных веществ из водных растворов, так как они могут адсорбировать растворитель — воду. Эти адсорбенты целесообразнее использовать при адсорбции из неводных растворов. Гидрофобные адсорбенты — активный уголь, графит, тальк — хорошо адсорбируют из водных растворов, так как сами они водой не смачиваются. Большое значение для адсорбции имеет пористость адсорбента.

Обучающиеся проводят опыты. Опыт 1. Адсорбция углем и силикагелем раствора фуксина.

В 2 пробирки приливают по 5 мл раствора фуксина, в одну пробирку вносят 0,5г истолченного активированного угля, а во вторую 0,5 г силикагеля, взбалтывают в течение 4-5мин и фильтруют. Отмечают окраску растворов, отвечают на вопросы: Почему используется истолченный уголь? Какой адсорбент: уголь или силикагель можно использовать для очистки воды?

Опыт 2. Влияние растворителя на адсорбцию. Разбавленный раствор метилвиолета хорошо взболтать с порошком угля и отфильтровать. Когда вся жидкость отфильтруется, на фильтр с углём прилить немного спирта. Какого цвета спиртовый раствор капает из воронки? В каком растворителе лучше растворяется метилвиолет? Из водного или спиртового раствора лучше адсорбируется метилвиолет углем?

Педагог: Очень сложна зависимость адсорбции от строения молекул адсорбтива. Многие молекулы органических веществ (кислот, спиртов, аминов) состоят из двух частей: полярной группы и неполярного углеводородного или ароматического радикала. Например, молекула уксусной кислоты состоит из полярной группы —СООН и неполярного углеводородного радикал —СН₃. Такие молекулы называются дифильными. К полярным относятся группы —ОН, —NH₂, —SH, —CN, —NO₂, —СНО, —SO₂OH. Эти группы являются гидрофильными. В отличие от них углеводородные и ароматические радикалы гидрофобны и сольватируются молекулами неполярных растворителей. Схематически дифильные молекулы изображают в виде символа —О, в котором прямой чертой обозначен углеводородный (неполярный) радикал, а кружком — полярная группа.

Дифильные молекулы растворенного вещества при адсорбции на твердом адсорбенте ориентируются на его поверхности так, чтобы полярная часть молекулы была обращена к полярной фазе, а неполярная — к неполярной. Например, при адсорбции органической кислоты из водного раствора на неполярном адсорбенте – угле, молекулы ее будут ориентироваться, как показано на рис. 3. При адсорбции этой же кислоты из ее раствора в бензоле (неполярный растворитель) на полярном адсорбенте — силикагеле ориентация будет другой.

Уголь обычно применяют как адсорбент для водных растворов. Например, в спиртовом производстве из водноспиртовой смеси адсорбцией на угле удаляют сивушные масла. В сахарной и крахмало-паточной промышленности углем обесцвечивают сахарные и глюкозные сиропы. Гидрофильные адсорбенты (силикагель, глины) используют для очистки масел, нефтепродуктов.

4.4. Обменная адсорбция

Для очистки воды используют обменную адсорбцию.

Обменная адсорбция – это процесс обмена ионов между раствором и твердой фазой — адсорбентом. При этом твердая фаза поглощает из раствора ионы одного знака (катионы или анионы) и вместо них выделяет в раствор эквивалентное число других ионов того же знака. Обменная адсорбция имеет большое значение для земледелия, т. к. от природы поглощенных почвой катионов зависит ее плодородие. К обмену ионов способны не только почвы, но и ряд природных и синтетических силикатов.

Были синтезированы ионообменные смолы — катиониты (обменивают катионы ) и аниониты (обменивают анионы)

Наиболее важное применение ионитов — это получение в производственных условиях деминерализованной воды, т. е. воды, не содержащей растворенных солей, включая и соли, определяющие жесткость воды. Для полного обессоливания воды ее последовательно пропускают через катионитовый и анионитовый фильтры.

RH(т) + NaCl (р-р), RNa (т) + НС1 (р-р)

При последующей обработке воды анионитом в ОН-форме поглощаются анионы (хлорид-ионы)

R’OH (т) + НС1 (р-р), R’Cl (т) + Н₂O

где RH и R’OH –смола, способная к обмену катионов или анионов соответственно.

Подобные процессы идут при удалении из воды и других солей.

Иониты легко регенерируют обработкой растворами кислот (катионит) или растворами едкого натра или соды (анионит). Иониты используются при очистке заводских сточных вод. В сточных водах многих производств содержатся ионы тяжелых металлов — хрома, меди, свинца и т. п. Все они очень вредны для живых организмов окружающей среды и в то же время очень ценны для народного хозяйства. Их выделяют, пропуская воду через ионит. Ионитная очистка используется в сахарной промышленности для очистки диффузного сока от электролитов — патокообразователей, что позволяет повысить выход сахара и уменьшить количество менее ценной патоки. Широко используются иониты в виноделии. Обработка виноматериалов ионитами позволяет удалить из них катионы металлов, способствующие помутнению вина. Анионитной обработкой можно удалить из фруктовых соков кислоты, имеющие неприятный вкус (например, яблочную) и заменить их другими. В ликеро-водочном, пивоваренном производствах и производстве фруктовых вод проводят ионитную обработку воды.

4.5. Адсорбция из многокомпонентных растворов. Хроматография

Явление адсорбции используется в хроматографии — метода разделения и анализа сложных многокомпонентных смесей. Впервые этот метод был предложен русским ботаником М. С. Цветом для разделения на составные компоненты хлорофилла. Пропуская раствор хлорофилла через стеклянную трубку, заполненную оксидом алюминия, М. С. Цвет обнаружил, что различные компоненты этого сложного вещества адсорбируются на разных уровнях по высоте колонки. В верхней части, очевидно, накапливается компонент, обладающий наибольшей адсорбционной способностью, затем с меньшей. Так как отдельные компоненты хлорофилла окрашены, то эти зоны легко отличить по окраске. Такой окрашенный столбик адсорбента М. С. Цвет’ назвал хроматограммой сам метод анализа – хроматографическим. С помощью хроматографического метода можно разделять сложные органические вещества, даже близкие по строению, а также неорганические соединения. Если промывать. хроматографическую колонку (см. рис. 4) чистым растворителем, зоны будут перемешаться вниз. В растворе можно анализировать компоненты, получим адсорбционную хроматограмму, по которой можно рассчитать состав раствора. Хроматография очень широко применяется для разделения витаминов, аминокислот, ферментов, лекарственных и других веществ.

4.6. Адсорбция на границе раствор–газ.

При адсорбции на границе раствор-газ изменяется поверхностное натяжение. Вещества, которые уменьшают поверхностное натяжение растворителя, называются поверхностно-активными веществами (ПАВ). Вещества, увеличивающие поверхностное натяжение или его не изменяющие, называются поверхностно-неактивными или поверхностно-инактивными. Поверхностно-активными веществами относительно воды являются многие органические соединения – жирные кислоты, их соли, спирты, амины. Относительно воды поверхностно-неактивными веществами являются все неорганические электролиты — соли, кислоты, щелочи. Примером вещества, практически не изменяющего поверхностного натяжения воды, является сахароза. Поверхностная активность дифильных молекул ПАВ зависит от длины углеводородного радикала. Согласно правилу (правило Траубе), по которому в гомологическом ряду нормальных жирных кислот поверхностная активность по отношению к воде возрастает приблизительно в 3,2 раза на каждую группу —СН₂—.

Молекулы ПАВ на границе системы водный раствор – газ образуют адсорбционный слой, толщиной в одну молекулу, если их концентрация достаточна. (Cм. рис. 7). При дальнейшем увеличении концентрации ПАВ в растворе строение адсорбционного слоя и его поверхностное натяжение не изменяются.

4.7. Адсорбция на границе раздела двух несмешивающихся жидкостей

При введении поверхностно-активного вещества в одну из жидкостей оно адсорбируется на границе раздела фаз и снижает межфазное поверхностное натяжение. Дифильные молекулы ПАВ своей полярной частью ориентированы к полярной жидкости (воде), а неполярной частью — к неполярной жидкости (бензолу, маслу и т. п.). Они могут находиться в одной из жидкостей, или на границе, это зависит от активности полярной и неполярной групп, как показано на рис. 8.

Поверхности веществ могут быть гидрофильными (смачиваться водой) и гидрофобными (не смачиваться водой), что показано на рис. 9.

ПАВ могут улучшить смачиваемость поверхности, они адсорбируются своими полярными частями к воде и поверхность становится гидрофильной, что показано на рис. 10.

Смачивание используют при обогащении руд, углей. К суспензии бедной руды в воде добавляют ПАВ, которое гидрофобизирует поверхность частиц ценной породы. Пустая порода смачивается водой и тонет, а ценная порода при пропускании воздуха всплывает. Этот процесс называют флотацией.

5. Закрепление и систематизация знаний

Педагог задает вопросы:

1. Какие вещества называются поверхностно-активными? К чему может привести избыточное содержание ПАВ в водоемах?
2. Каким адсорбентом – углем, окисью алюминия или силикагелем можно очистить водные растворы сахара, глюкозы, спирта и почему?
3. Какое значение имеет адсорбция для очистки воды Мирового океана, для очистки воды рек?

6. Подведение итогов занятия

Список использованной литературы

1. Добровольский, В.В. Основы биогеохимии: Учебник для студ. высш. учеб. заведений/ В.В Добровольский. – М.: Издательский центр Академия, 2003. – 400 с.
2. Лукьянов, А.Б. Физическая и коллоидная химия. Учебник для техникумов/ А.Б. Лукьянов. – М.:Химия,1980. – 224 с.
3. Коровин, Н.В. Общая химия: Учеб. для технических направ. и спец. вузов/ Н.В.Коровин. – 9-е изд. перераб. – М.: Высш. Шк., 2007. – 557 с.