24. Что представляет собой процесс адсорбции молекул и ионов? Расскажите об ионном обмене в водных растворах.

Самопроизвольное уменьшение свободной поверхности энергии может происходить за счет концентрирования веществ на поверхности раздела фаз. Этот процесс получил название адсорбция. Различают молекулярную и ионную адсорбции. Адсорбция молекул более характерна для слабодиссоциирующих веществ. Одновременно с адсорбцией может протекать другой процесс концентрирования веществ – абсорбция, т. е. поглощение газа или пара всем объемом твердого тела. Довольно часто их объединяют одним терминов – сорбция.

Значимость этого процесса в биосфере чрезвычайно велика. В почвах (основной части геохимических ландшафтов суши) концентрация многих химических элементов (в первую очередь тяжелых металлов) в несколько раз выше в высокодисперсных частицах, чем в остальных ее компонентах.

Процессы сорбции относятся к числу основных, очищающих воды Мирового океана от многих токсических элементов. Преимущественно с их помощью в водах океанов контролируется концентрация Pb, Cr, Co, Ni, V, Zn, Ga, B, Mo, Li. В речных водах, по данным Лисицина, со взвесями связана основная масса рассеянных элементов (около 98% - Ti, Se, Nb, Ge, V, Cr; до 98% - Co, Ni, Rb, Y, Zr, Ba; до 70% - Cu, Zn, Mo, Ag, Sr).

Селективность: факторы, определяющие состав и количество веществ, сорбируемые определенными коллоидными частицами:

* Состав сорбируемых ионов и молекул зависит от состава дисперсной фазы. К важнейшим природным сорбентам относятся коллоиды оксида Mn(IV), сорбирующие (иногда до экономически выгодного промышленного извлечения) Ni, Co, K, Ba, Cu, Zn, Hg, Au, W; гидроксид Fe(III),сорбирующий As, V, P, Sb, Se; кремнезем, сорбирующий ряд радиоактивных элементов; доломит, сорбирующий Pb, Zn и т. д.

Концентрация в почвах сорбированных элементов (до содержаний, влияющих на развитие живых организмов) связана в основном с глинистыми частицами и гумусом. При этом из растворов металлы извлекаются в такой последовательности: монтмориллонитом (глинистый минерал подкласса слоистых силикатов) – Pb>Cu>Co>Ba>Mg>Hg; каолинитом – Hg>Cu>Pb. О значимости рассматриваемого процесса можно судить хотя бы по тому, что в каолините (за счет сорбции из разбавленного раствора сульфата меди) концентрация металла достигает 0, 8%.

*Чем лучше растворитель (дисперсная среда) смачивает твердую поверхность частиц, тем меньше сорбируется растворенного вещества из этой среды. Так, уголь и сажа гораздо лучше сорбируют растворенные вещества из водных растворов, чем из углеводородных и, наоборот, глинистые минералы лучше сорбируют молекулы из углеводородных растворителей. Отсюда следует правило Ребиндера:

чем ближе по своей природе адсорбент к растворителю, тем меньше сорбируется на нем веществ, растворенных в этом растворителе.

* Избирательное поглощение определенных веществ из растворов определяется не только составом дисперсной фазы, но и щелочностью среды. Глинистые коллоиды лучше сорбируют металлы в щелочной среде. В кислой сорбированные металлы вытесняются водородом. В целом для почв прочность связи металлов в этом процессе следующая:

Co²+ > Cu²+ > Zn²+ > Mn²+.

Добровольский считает, что этот процесс особо важен для растений, так как вытесняемые микроэлементы становятся доступными для них. Следует также отметить, что количество биоэлементов, сорбированных почвенными коллоидами, составляет около 2% их общей массы в почвах, а это на порядок больше, чем содержание биоэлементов в почвенных растворах.