Практичне заняття № 6

ТЕМА: АДСОРБЦІЯ НА НЕРУХОМІЙ ПОВЕРХНІ ПОДІЛУ

МЕТА заняття: ознайомитись з молекулярною адсорбцією на поверхні твердого тіла. Навчитись кількісно визначати адсорбцію ацетатної кислоти активованим вугіллям, будувати ізотерми адсорбції.

МАТЕРІАЛЬНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ЗАНЯТТЯ:` розчини поверхнево-активної речовини різної концентрації, розчини оцтової кислоти різної концентрації, 0,1 М NаОН, індикатор фенолфталеїн, піпетки, бюретки з штативом, мірні колби на 50 і 100 мл, активоване вугілля 1,0г.

Конкретні цілі:

• пояснювати поверхневі явища та їх значення в біології та медицині;

• знати рівняння Ленгмюра, Фрейндліха;

• пояснювати адсорбцію на нерухомих межах поділу фаз: тверде тіло-газ, тверде тіло-розчин, фізичну та хімічну адсорбцію, адсорбцію електролітів;

• знати правило Панета-Фаянса;

• знати роль адсорбції в процесах життєдіяльності організмів, фізико-хімічні основи адсорбційної терапії;

• знати поняття про хроматографію;

• ознайомитись з хроматографію та її застосування в біології та медицині;

• вміти застосовувати теоретичні положення вчення про адсорбцію;

• вміти досліджувати адсорбцію ацетатної кислоти активованим вугіллям;

• вміти будувати ізотерми адсорбції;

• вміти дотримуватися правил техніки безпеки та охорони праці при визначенні адсорбції ацетатної кислоти активованим вугіллям;

• навчитись розв’язувати типові задачі.

Зміст заняття

Адсорбційні процеси відіграють важливу роль в життєдіяльності організмів. Адсорбція різних речовин елементами крові та протоплазмою клітин впливає на обмін речовин, тому при лікуванні гострих отруєнь важливе місце займає адсорбційна терапія і гемосорбція. Використання імуносорбентів, ентеросорбентів дає змогу виводити з організму антитіла, бактеріальні токсини та інші антигени, зменшувати мікробну інтоксикацію. Іонообмінна адсорбція - це основа дії ферментів біологічних мембран. За допомогою іонообмінників одержують іонітне молоко для дитячого харчування, знесолену воду тощо.

Адсорбційна хроматографія - це важливий метод розділення, очищення і виділення багатьох лікарських речовин (антибіотиків, вітамінів, білків, гормонів); очищення і регенерації стічних вод; кількісного визначення забруднювачів зовнішнього середовища (шкідливих газів і парів, токсичних речовин, пестицидів).

Найширше використовується адсорбція твердими поверхнями. Серед речовин з найбільш розвинутими поверхнями є активоване вугілля, силікагель, оксид алюмінію, глина та ін. Наприклад, питома поверхня активованого деревного вугілля становить 900-1000 м² /г.

Закономірності адсорбції на поверхні твердих адсорбентів

Поверхня твердого тіла також має надлишок вільної енергії. Причиною є неврівноваженість молекул, атомів, іонів у поверхневому шарі, а також нерівність поверхні. Прикладом поверхні з активними адсорбційними центрами є поверхня відновленого нікелю. Внаслідок надлишку поверхневої енергії тверді тіла мають адсорбційну здатність. На їх поверхні адсорбуються гази, пари. Внаслідок того, що вимірювати σ для твердої поверхні досить важко, застосовувати рівняння Гіббса для розрахунку величини адсорбції практично неможливо.

Адсорбція на твердій поверхні значною мірою залежить від величини поверхні адсорбенту. Чим краще подрібнений адсорбент, тобто чим більша його поверхня, тим сильніше протікатиме адсорбція.

Кількість речовини, поглинутої 1 см² поверхні за досягнення адсорбційної рівноваги, називається питомою адсорбцією:

де х - число молів адсорбованої речовини;

S - площа поверхні адсорбенту, см².

Оскільки виміряти поверхню твердого адсорбенту важко, адсорбцію встановлюють не на 1 см², а на 1 г адсорбенту:

моль/г,

де т- маса адсорбенту в грамах.

Кількість адсорбованого газу на твердому адсорбенті залежить від тиску, температури, природи газу. Залежність величини адсорбції від рівноважного тиску газу за сталої температури виражається ізотермою адсорбції (ізотерма адсорбції Фрейндліха).

До явища адсорбції близькі явища змочування, які теж визначаються інтенсивністю взаємодії між молекулами різних речовин. Розглянемо явище змочування на прикладі краплі рідини, нанесеної на поверхню твердого тіла. Якщо молекули рідини взаємодіють з молекулами твердого тіла сильніше, ніж між собою, то рідина розтікається по поверхні (вода на поверхні чистого скла). Якщо молекули рідини взаємодіють одна з одною значно сильніше, ніж з молекулами твердого тіла, то розтікання не відбувається. Рідина збирається на поверхні в краплю майже сферичної форми (ртуть на металічній поверхні).

Специфічна адсорбція електролітів

Сильні електроліти у водних розчинах знаходяться у вигляді йонів, тому їх адсорбцію з розчинів називають йонною.

Йонна адсорбція – це хімічна взаємодія між йонами розчиненої речовини і твердою поверхнею адсорбенту.

Але енергії утвореного нового хімічного зв´язку недостатньо для того, щоб відірвати поверхневі атоми адсорбенту. Тому зв´язок нової сполуки з твердим сорбентом зберігається.

Адсорбція йонів відбувається за двома основними механізмами:

1. вибіркова адсорбція йонів на кристалах;

2. еквівалентна або іонообмінна адсорбція.

Вибіркова адсорбція визначається процесом адсорбції катіонів або аніонів і підпорядковується правилами вибіркової адсорбції, сформульованими Панетом і Фаянсом.

Правило Панета-Фаянса

Перше правило. Кристалічну гратку адсорбенту добудовують йони, що входять до її складу, ізоморфні з її йонами або ті, що утворюють з ними малорозчинні сполуки.

Друге правило. На твердій поверхні адсорбенту адсорбуються тільки ті йони, знак заряду яких протилежний знаку заряду поверхні адсорбенту.

Згідно з правилами Панета-Фаянса, для здійснення вибіркової адсорбції адсорбент повинен бути малорозчинною сполукою і мати кристалічну будову, а розчин – надлишок саме тих йонів, з яких складається гратка.

На межі тверде тіло-розчин виникає різниця потенціалів – утворюється подвійний електричний шар (ПЕШ). Йони, які добудовують кристалічну гратку адсорбенту і входять до її складу, утворюючи внутрішню частину ПЕШ, називають потенціал-визначальними, а йони розташовані в рідині біля твердої поверхні адсорбенту (протиіони), утворюють його зовнішню частину.

Йонообмінна адсорбція електролітів

Йонообмінна адсорбція – це процес обміну йонів зовнішньої частини ПЕШ на Йони того самого знаку з розчину.

Адсорбенти, на яких відбувається процес еквівалентного обміну йонів, називають іонітами (йонообмінниками).

Іонообмінна адсорбція – це процес обміну йонів, який відбувається між адсорбентом і адсорбатом у точно еквівалентних співвідношеннях і може бути описаний стехіометричним рівнянням.

Іоніти класифікують за різними ознаками:

1. за походженням – природні та синтетичні;

2. за складом – на неорганічні та органічні;

3. за типом йоногенних груп – на катіоніти (кислотні йоніти), аніоніти (основні йоніти) та амфоліти. Останні, залежно від умов, здатні до обміну як катіонами, так і аніонами.

4. За ступенем йонізації йоногенних груп розрізняють сильно- та слабко кислотні катіоніти і сильно- та слабко основні аніоніти.

Сильнокислотні катіоніти містять залишки сульфатної, фосфатної та інших сильних кислот; слабкокислотні – карбоксильні, сульфгідрильні та інші групи, що слабко дисоціюють. Йоногенними групами сильноосновних аніонітів звичайно є амонійні основи, а слабкоосновних – аміногрупи та залишки інших органічних основ.

Практичне застосування іонітів

Найширшого застосування іоніти набули для пом´якшення та одержання знесоленої (де мінералізованої) води.

Іоніти також використовують як каталізатори деяких реакцій, для очищення стічних вод, у іонообмінній хроматографії – для виділення та очищення йонних сполук, зокрема, амінокислот. Їх застосовують у медичній практиці для консервування крові, визначення кислотності шлункового соку, при отруєннях йонами важких металів (Pb²⁺, Hg²⁺, Сd). Катіоніти призначають як антацидні засоби при ацидозах для попередження та лікування набряків, пов´язаних з декомпенсацією серцевої діяльності. За допомогою йоннообмінників виготовляють дитяче харчування – йонітне молоко.

Класифікація хроматографічних методів

Метод хроматографії був відкритий у 1903 році М. Цвітом, який вперше застосував його для розділення рослинних пігментів.

У наш час хроматографію широко використовують у наукових дослідженнях та в практиці клінічних, біохімічних контрольно-аналітичних та хіміко-токсикологічних лабораторій.

Хроматографія – це фізико-хімічний метод розділення і аналізу сумішей газів, випарів, рідин або розчинених речовин за допомогою сорбційних процесів. Метод ґрунтується на різному розподілі компонентів суміші між двома фазами – рухомою та нерухомою. Речовини, що складають нерухому фазу, називають сорбентами. Вони можуть бути як у твердому, так і рідкому стані, але переважно це тверді речовини. Як сорбенти використовують Силіцій діоксид, силікагель, Алюміній оксид.

Рухома фаза – це потік рідини або газу, що фільтрується крізь шар сорбенту. Вона виконує функції розчинника і носія суміші речовин, які аналізують, і її називають сорбатом.

Хроматографічні методи поділяють за такими ознаками:

• за середовищем, в якому проводиться розділення: газова, газорідинна та рідинна хроматографія;

• за механізмом розділення: молекулярна, гель-фільтраційна, іонообмінна, осадова, розподільна хроматографія;

• за формою проведення процесу: колонкова, паперова, тонко-шарова, капілярна хроматографія.

Залежно від способу переміщення досліджуваної суміші вздовж шару сорбенту хроматографічний процес може бути фронтальним, проявниковим та витиснювальним.

Застосування хроматографії в медицині