Адсорбция ↔ Десорбция

 

при котором среднее число частиц, покидающих поверх­ностный слой, становится равным среднему числу ад­сорбируемых частиц за тот же отрезок времени.

Адсорбция носит избирательный характер. Так, на­пример, активированный уголь хорошо поглощает хлор, но не адсорбирует оксид углерода (II)—угарный газ. Поэтому нельзя пользоваться обычными противогазами при тушении пожаров, так как в зоне пожара много оксида углерода (II).

Процесс адсорбции экзотермичен и, следовательно, в соответствии с принципом Ле Шателье, с ростом темпе­ратуры адсорбция падает. При этом колебания частиц, адсорбированных поверхностью, увеличиваются, в ре­зультате равновесие сдвигается в сторону процесса де­сорбции.

Изучение адсорбции началось во второй половине XVIII в. с открытия немецким ученым Шееле адсорбции газов углем и с работ русского химика Т. Е. Ловица, открывшего и подробно описавшего поглощение углем красящих веществ из растворов. Т. Е. Ловиц впервые предложил использовать в производственных масштабах угли для очистки растворов от вредных примесей (для очистки спирта от сивушных масел, для устранения за­паха питьевой воды и пр.).

Но наибольшего развития учение об адсорбции до­стигло в XX в. благодаря работам Н. Д. Зелинского, Н. А. Шилова, М. М. Дубинина, М. С. Цвета, А. Н. Фрумкина, П. А Ребиндера и др.

 

§ 21. Адсорбция на поверхности раствор — газ

 

Различные вещества, растворяясь в одной и той же жидкости, могут либо понижать, либо повышать ее по­верхностное натяжение. Изучение сущности этого явле­ния показало, что концентрация растворенного вещества 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 с поверхности жидкости вглубь, незначительно по­вышая поверхностное натяжение. Следовательно, суще­ствует определенная зависимость между изменением поверхностного натяжения и адсорбцией на границе раствор — газ. Для разбавленных растворов она подчи­няется уравнению Гиббса:

                                     (VII.3)

 

где Г — величина поверхностной адсорбции; Δσ — изме­нение поверхностного натяжения, соответствующее из­менению концентрации ΔС; С — молярная концентрация растворенного вещества; R —газовая постоянная; Т — температура, К.

Из уравнения Гиббса (VII.3) вытекает, что только в том случае, если поверхностное натяжение а уменьшит­ся с увеличением концентрации С, т. е. если , концентрация вещества в поверхностном слое будет больше, чем во всем объеме, и Г>0. Если же σ увеличи­вается с увеличением С, т. е. , то Г<0, что приводит к понижению концентрации в поверхностном слое по сравнению с концентрацией во всем объеме.

Вещества, понижающие поверхностное натяжение и адсорбирующиеся на данной поверхности раздела, на­зываются поверхностно-активными.

К таким веществам (по отношению к воде) принадлежат, например, жирные кислоты, спирты, кетоны, мыла, многие белки и др.

Вещества, вызывающие повышение поверхностного натяжения и не адсорбирующиеся на данной поверхно­сти, называются поверхностно-неактивными. По отноше­нию к воде поверхностно-неактивными являются неорганические соли, кислоты, щелочи и некоторые органические вещества.

Для адсорбции из водных растворов большое значение имеет наличие у молекул растворенного вещества полярных (гидрофильных т. е. любящих воду) и неполярных (гидрофобных т. е. боящихся воды) групп (рис. 23)

 

 

 

 Молекулы, обладающие одновременно обоими вида­ми групп, отличных по свойствам, называются бифильная. Так, в молекуле амилового спирта имеется поляр­ная группа —ОН и неполярная углеводородная цепочка:

В молекуле масляной кислоты полярной является группа —СООН:

 

К полярным группам относятся — СНО, — ОН, — NH₂, — SH, — СООН и др., к неполярным — углеводородные цепи и циклы.

Поверхностная активность, а следовательно, адсорбируемость вещества зависит от природы полярной группы, строения молекулы и длины углеводородной цепи. Увеличение длины углеводородного радикала в жирных кислотах на группу СН₂ увеличивает их способ­ность к адсорбции в 3,2 раза (правило Траубе — Дюкло).

На поверхности раздела фаз дифильные молекулы поверхностно-активных веществ ориентируются, причем их полярные группы обращены к более полярной, а не­полярные — к менее полярной фазе (рис. 24). Так, на­пример, если в воде растворить мыло C₁₇H₃₅COONa, то неполярный углеводородный радикал C₁₇H₃₅ будет на­ходиться в воздухе, а полярная часть COONa — в воде. В бензоле, являющемся неполярной жидкостью, ориен­тация молекул мыла будет противоположной: к бензо­лу будет обращен радикал, а полярная группа COONa будет «вытолкнута» в воздух.

Адсорбция поверхностно-активных веществ на по­верхности жидкостей облегчает вспенивание и эмульги­рование, повышает прочность пены, устойчивость эмуль­сий и т. д.