3.5. Адсорбция на поверхности раздела «твёрдое тело – жидкость»
В этом разделе описывается адсорбция на твёрдых адсорбентах из растворов. Данный вид адсорбции имеет особенно большое практическое значение, так как используется в самых различных областях деятельности. Например, адсорбция используется при извлечении веществ из растворов, при очистке растворителей, в промышленной и лабораторной водоочистке, при первой помощи в случае отравлений. На адсорбции основано применение глин и пектиновых веществ в качестве лечебных и профилактических средств. Адсорбция лежит в основе хроматографических методов исследования и анализа.
Если растворённое вещество адсорбируется из него в виде неионизированных молекул, говорят о молекулярной адсорбции. Если же оно ионизировано, т. е. является электролитом, говорят об ионной адсорбции или, иначе, адсорбции электролитов.
Молекулярная и ионная адсорбция на твёрдых адсорбентах из растворов имеют много общего с адсорбцией из газов, но естественно, отличается от неё рядом особенностей. В первую очередь это меньшая скорость достижения адсорбционного равновесия даже на сравнительно гладких поверхностях. Кроме того, при адсорбции из растворов адсорбату приходится вытеснять с поверхности адсорбента молекулы растворителя, связанные с ним адгезионными силами, на что требуется дополнительная энергия. Поэтому адсорбция веществ из растворов будет происходить лишь в том случае, когда теплота адсорбции превышает теплоту адгезии растворителя (см. п. 2.2). Но в общем случае адсорбция на поверхности раздела «твёрдое тело – жидкость» описывается изотермами того же вида, что и газовая адсорбция, и к ней применимы те же уравнения Лэнгмюра и Фрейндлиха, но с соответственно иными константами.
3.5.1. Молекулярная адсорбция
Величина адсорбции из растворов в эксперименте рассчитывается по уравнению
где С0 - исходная концентрация адсорбирующегося вещества в растворе;
С - равновесная концентрация; V - объём раствора, из которого идет адсорбция; m - масса адсорбента.
Таким образом, если концентрация адсорбтива выражена в моль/л, объём – в литрах, а масса адсорбента – в граммах, то x (количество адсорбированного вещества) будет иметь размерность моль, а величина адсорбции будет выражена в моль/г.
Чаще всего из растворов на твёрдых поверхностях адсорбируются поверхностно-активные вещества. Своим присутствием в адсорбционном слое они уменьшают межфазное поверхностное натяжение. Адсорбция ПАВ из растворов подчиняется правилу уравнивания полярностей П. А. Ребиндера (1927 г.):
вещество будет адсорбироваться на поверхности раздела фаз, если в результате его адсорбции уравнивается полярность этих фаз,
то есть полярность этого вещества должна занимать промежуточное положение между полярностями веществ, образующими фазы.
Хорошей иллюстрацией правила является адсорбция органических соединений из водных растворов на активированном угле. Так, например, анилин и фенол, обладая промежуточной между водой и углем полярностью, хорошо адсорбируются, а нитроанилин - соединение с высокой полярностью - практически не адсорбируется. Следствием правила Ребиндера является то, что поверхностно-активные вещества из водных растворов следует извлекать с помощью неполярных адсорбентов (например, активированным углем), а из растворов в бензоле, эфире, ацетоне и других неполярных органических жидкостях – с помощью полярных адсорбентов (например, силикагель или цеолиты).
При адсорбции ПАВ их молекулы ориентируются в адсорбционном слое в соответствии с дифильной природой (рис. 3.8):
Полярный адсорбент (силикагель) |
Неполярный растворитель (бензол) |
Неполярный адсорбент (уголь) |
Полярный растворитель (вода)) |
Рис. 3.8. Ориентация дифильных молекул ПАВ в адсорбционном слое
Как и в случае адсорбции из газов, адсорбция из растворов уменьшается с ростом температуры.