Лекция 10-11 Поверхностные явления. 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.

Поверхностные явления чрезвычайно широко распространены в природе. Всюду где соприкасаются две различные по своей физической природе и физическому состоянию фазы (газы, жидкости или твердые тела) возникают поверхностные явления или адсорбция. Адсорбция – главное действующее лицо всех химических и биохимических процессов, явление без которого не мыслима жизнь на земле. Явление адсорбции можно наблюдать на простом опыте. К окрашенному раствору добавить немного порошка древесного угля, тщательно все перемешать и затем профильтровать через бумажный фильтр, то в фильтрате окажется чистая вода, красящее вещество задержится на поверхности угля.

Почва хорошо поглощает (адсорбирует) не только растворенные в воде органические и минеральные соединения, но и воздух, углекислоту, пары воды, аммиак. Поглощение корнями питательных элементов из почвы начинается с их адсорбции на поверхности корневых волосков и тонких неопробковевших корней. Усвоение растением углекислого газа при фотосинтезе начинается с адсорбции СО₂ на внутренней поверхности листа.

Явление адсорбции играет очень большую роль также и в жизнедеятельности животных организмов. Роль адсорбции обусловлена наличием в организме огромного количества самых разнообразных поверхностей раздела – стенок сосудов, поверхности клеток, клеточных ядер и вакуолей, коллоидных частиц протоплазмы и наконец поверхности раздела между организмом и средой. Исследования показали, что пищевые вещества, как правило поверхностно активны и потому первым этапом их усвоения является адсорбция, а процесс их химического превращения уже вторичен.

Процессы поглощения газов или растворенных веществ твердыми материалами или жидкостями могут протекать по разным механизмам и носят общее название сорбции. Вещества-поглотители называют сорбентами, поглощаемые газы или растворенные вещества - сорбатами или сорбтивами.

Различают 4 основных сорбционных процесса адсорбцию, абсорбцию, капиллярную конденсацию, хемосорбцию.

Абсорбцией называют поглощение газа или пара всем объемом твердого вещества или жидкости. Этот процесс состоит в проникновении молекул газа в массу сорбента и заканчивается образованием твердого или жидкого раствора.

Адсорбцией называют самопроизвольное концентрирование на твердой или жидкой поверхности раздела фаз вещества с меньшим поверхностным натяжением.

Адсорбируемое вещество носит название адсорбата или адсорбтива, абсорбирующее - адсорбента.

Сорбционные процессы в зависимости от того, насколько глубоко проникают частицы сорбтива в сорбент, а также в зависимости от характера взаимодействия компонентов в этих процессах, носят различные названия.

Адсорбция является чисто поверхностным процессом, который заключается во взаимодействии молекул или ионов адсорбата (газа или растворенного вещества) с поверхностью адсорбента за счет сил Ван-дер-Ваальса, водородных связей, электростатический сил.

Силы взаимодействия адсорбента и адсорбата, определяющие адсорбцию, различны и обычно рассматривают два случая, когда Г характеризуется физическими либо химическими взаимодействиями (физическая и химическая адсорбция).

Физическая адсорбция возникает за счет Ван-дер Ваальсовых взаимодействий. Она характеризуется хорошей обратимостью, уменьшением адсорбции при повышении температуры (адсорбция благородных газов на угле).

Химическая адсорбция (хемосорбция) осуществляется только путем химического взаимодействия. Здесь адсорбция необратима, ∆Н близок к энергии образования химического соединения. При химической адсорбции молекулы адсорбата, связанные с адсорбентом прочными химическими силами, не могут перемещаться на поверхности адсорбента (этот процесс называется локализованной адсорбцией), а при физической адсорбции могжет иметь место как нелокализованная адсорбция (когда молекулы адсорбата способны передвигаться по поверхности адсорбента), так и локализованная адсорбция (образование окисной пленки на поверхности металлов - меди, алюминия, цинка).

Капиллярная конденсация- это конденсация парообразных сорбтивов в порах твердого адсорбента.

Физическая адсорбция протекает самопроизвольно, и этот процесс является обратимым (динамическим). Адсорбированные молекулы совершая колебательные движения, могут отрываться от поверхности адсорбента и переходить в другую фазу. Такой процесс называется десорбцией. По мере протекания процесса скорость адсорбции уменьшается, а скорость десорбции растет, пока эти скорости не уравняются между собой. С этого момента в системе устанавливается динамическое равновесие между молекулами адсорбтива, находящимися на поверхности и в объеме, такое равновесие называется адсорбционным равновесием.