26.2. Сорбция и ее виды

В медико-биологической практике среди поверхностных яв­лений наибольшее значение имеет сорбция.

Сорбция - гетерогенный процесс самопроизвольного по­глощения твердым телом или жидкостью веществ из окружающей среды.

Т вердые тела или жидкости, способные поглощать вещества из окружающей среды, называются сорбентами, а поглощаемое вещество - сорбатом. В зависимости от степени связывания поглощаемого вещества сорбентом сорбция может быть обрати­мой и необратимой. Чаще всего сорбция является обратимым процессом, в результате в системе наряду с сорбцией протекает десорбция:

При достижении и установлении состояния равновесия скорость сорбции равна скорости десорбции. Это равновесное состояние характеризуется константой сорбционного равновесия К_с и обычно довольно большим временем установления равновесия(Травн > 1c);

Если К_с > 1, то в основном наблюдается процесс сорбции. Если К_с < 1, то преобладает процесс десорбции.

Благодаря десорбции в воздухе над водной поверхностью все­гда находятся летучие вещества, содержащиеся в данной водной системе, обуславливающие запах питьевой или сточной воды, пи­щевых продуктов, т. е. органолептические показатели их качества.

Процесс сорбции может сопровождаться диффузией вещест­ва в глубь сорбента. Такой вид сорбции называется абсорбцией. В других случаях сорбция сопровождается концентрированием поглощаемого вещества на поверхности сорбента. Такой вид сорб­ции называется адсорбцией.

26.3. Абсорбция

Абсорбция играет важную роль в обмене веществ, включая газообмен биосистем с окружающей средой. Процессы абсорбции лежат в основе технологических процессов обработки пищевых продуктов, очистки лекарственных препаратов от примесей, очист­ки выбросов промышленных предприятий в окружающую среду.

Абсорбцией называется самопроизвольное поглощение веществ, при котором поглощаемые вещества (абсорбаты) в результате диффузии распределяются по всему объему вещества-поглотителя (абсорбента).

При обратимой абсорбции в системе газ - жидкость или жид­кость - жидкость происходит равновесное распределение по­глощаемого вещества между контактирующими фазами в гетерогенной системе. Это равновесие характеризуется константой абсорбционного равновесия, называемой константой распреде­ления К_распр, которую рассчитывают по формуле:

где с₁ ,с₂ - концентрация поглощаемого вещества в абсорбенте и в ок­ружающей среде соответственно.

Значение константы распределения зависит от природы кон­тактирующих фаз и температуры.

Абсорбция подчиняется закономерности "подобное с подоб­ным", поэтому концентрация поглощаемого вещества будет боль­ше в той фазе, природа которой ближе к природе поглощаемого вещества, т. е. полярное вещество хорошо абсорбируется полярной фазой, а неполярное вещество - неполярной фазой. Напри­мер, хлороводород хорошо абсорбируется водой, а кислород -перфтордекалином (C10F22 ^_ основа эмульсионного кровезаме­нителя).

При больших значениях К_распр поглощаемое вещество в ос­новном связано с абсорбентом, и концентрация его в окру­жающей среде незначительна.

При низких значениях K_pacnp процесс десорбции вещества преобладает над процессом абсорбции, и поэтому вещество пре­имущественно будет находиться в окружающей среде.

К процессам абсорбции можно отнести растворение вещества в растворителе, который можно назвать абсорбентом. Закономер­ности абсорбционного распределения веществ важны для понима­ния процесса обмена веществ в организме. Поступление питатель­ных веществ и выведение продуктов метаболизма через клеточ­ные мембраны подчиняются закону распределения этих веществ между неполярной фазой липидного слоя мембран и полярными фазами внутри- и межклеточной жидкостей. Водонерастворимые соединения: жиры, барбитураты, многие анестетики - хорошо растворимы в липидах, и поэтому они абсорбируются липидным слоем мембран, изменяя их физиологические свойства.

Если поглощаемое вещество - газ, то его абсорбция сопро­вождается резким изменением объема системы в целом. Поэто­му в соответствии с принципом Ле Шателье абсорбция газов в жидкости при увеличении давления возрастает и подчиняется закону Генри.

При постоянной температуре абсорбция газа в единице объема жидкости прямо пропорциональна парциальному давлению этого газа в газовой смеси над жидкостью.

где с - концентрация газа в жидкости, моль/л; р(Х) - парциальное давление газа в смеси, Па или мм рт. ст.; k - константа абсорбционно­го равновесия.

Парциальным давлением газа р(Х) называется часть общего давления (р_0бщ), которая соответствует молярной доле n(Х) газа в смеси: р(Х) = р_0бщn(Х). Так, парциальное давление основных компонентов сухого воздуха составляет (в мм рт. ст.): N₂ - 594, O2 - 160, СО2 - 0,2, а воздуха, выдыхаемого человеком, соот­ветственно: N₂ - 520, 0₂ - 142, С0₂ - 38, Н₂0 - 53.

Закон Генри позволяет понять возникновение профессиональ­ных заболеваний у водолазов, рабочих в кессонах, летчиков, космонавтов, которые должны переходить из газовой среды с большим давлением в среду с меньшим давлением. Во время пребывания человека в среде с высоким давлением кровь и тка­ни насыщаются газовыми компонентами среды, а при резком понижении давления снижается растворимость абсорбированных газов в крови. В результате снижения растворимости газов из крови выделяются пузырьки этих газов, которые закупоривают капиллярные кровеносные сосуды, вызывая кессонную болезнь. При этом особенно велик вклад азота, так как его объемная доля в воздухе составляет 78 %. Для борьбы с этим явлением снижение давления газовой смеси, в которой находится чело­век, до нормального должно проводиться медленно. Кроме то­го, безопаснее использовать дыхательную смесь на основе гелия вместо азота, содержащую 80 % гелия и 20 % кислорода, так как растворимость гелия в крови почти в три раза меньше, чем азота.

Для характеристики растворимости газа в жидкости ис­пользуют коэффициент абсорбции - это объем газа, приведен­ный к стандартным условиям, который растворим в единице объема жидкости при указанных температуре и давлении, -а(Х), л газа / л жидкости.

Значение коэффициента абсорбции газа в воде существенно зависит не только от полярности его молекул, но и от способно­сти газа к химическому взаимодействию с водой. Например, зна­чения коэффициента абсорбции а(Х) для газов воздуха в воде при нормальных условиях составляют: N2 - 0,024, 0₂ - 0,05, С0₂ - 1,7; а для газов-токсикантов - S0₂ - 80, НСl - 500, NH₃ -1300. Таким образом, токсичность газов-токсикантов связана прежде всего с их лучшей растворимостью в водных средах, так как при их попадании в организм и гидратации в биосре­дах происходит резкое увеличение содержания "связанной во­ды" за счет исчезновения "свободной" и уменьшения количест­ва "деструктурированной воды" (разд. 6.1, 11.3 и 11.4). Кроме того, проявляется химическая специфичность токсикантов, при­водящая к изменению химических свойств биосред. Так, в при­сутствии S0₂ прежде всего усиливаются кислотные свойства вод­ной среды:

особенно в присутствии кислорода:

Усиление кислотных свойств происходит и под действием газо­образного НСl.

В случае абсорбции N0₂ также усиливаются кислотные свойства среды:

но главная причина его высокой токсичности - окислительные свойства N0₂, N0₃(-)и N0₂(-), приводящие к окислению гемоглобина в метгемоглобин и связыванию гемоглобина в комплекс с продуктом их восстановления N0 (разд. 10.4).

Под действием NH₃ возрастает основность водной среды:

Кроме того, NH₃ - активный лиганд, склонный к комплексообразованию с "металлами жизни".

Абсорбируемость газа жидкостью зависит не только от при­роды газа, его давления и температуры, но и от состава жид­кости. Абсорбция газов в растворах электролитов подчиняется закону Сеченова.

Растворимость газов в жидкостях в присутствии электролитов понижается вследствие высаливания газов.

где Со - растворимость газа в чистой воде; с - растворимость газа в присутствии электролита; с_эл - концентрация электролита; k_c - кон­станта Сеченова.

Значение константы Сеченова зависит от природы газа, ион­ной силы раствора электролита и температуры. Понижение рас­творимости газа в растворе электролита связано с процессом сольватации ионов, который приводит к уменьшению числа свободных молекул растворителя (разд. 11.4). Уменьшению раство­римости газов в воде способствуют также белки, которые чрез­вычайно интенсивно подвергаются гидратации, что важно для биологических систем.