Тема: “Сорбційні процеси”

1. Загальна характеристика сорбційних процесів.

2. Адсорбція на різних поверхнях розділу.

3. Поверхнево активні речовини, біологічне значення сорбційних процесів.

4. Хроматографічний аналіз та його використання у ветеринарній медицині.

Література:

1. Физическая и колоидная химия /А.И. Кононский. – К.: Вища шкала, 1986.- С. 191-211.

1.

Якщо у системі є поверхні між різними агрегатними станами, їх називають поверхнями розділу фаз. Такі поверхні проявляють ряд властивостей зокрема сорбцію. Термін сорбція походить від латинського «sorbeo» - поглинаю.

Сорбція – це поглинання газів, парів і розчинених речовин твердими тілами і рідинами.

Процес, обернений сорбції, називають десорбцією, наприклад, вихід газу з рідини.

Речовину, що поглинає, поглинач називають сорбентом. Речовину, що поглинається називають сорбтивом або сорбатом. Деколи ці поняття розрізняють: сорбтив – речовина, що поглинається, тобто знаходиться у процесі сорбції, сорбтив може зв’язатись з сорбентом, а може виділитись у результаті десорбції, сорбат – речовина, що зв’язалась з сорбентом.

Види сорбції:

За характером взаємодії сорбенту і сорбату сорбцію поділяють на:

• адсорбцію;

• абсорбцію.

За механізмом сорбції поділяють на:

• фізичну;

• хімічну.

Загальна класифікація сорбційних процесів:

• адсорбція;

• абсорбція;

• хемосорбція;

• капілярна конденсація.

Адсорбція (від лат. Ad – на, Sorbeo – поглинаю) – поглинання речовин із газового або рідинного середовища поверхневим шаром твердого тіла або рідини, тобто сорбція поверхнею сорбенту. Сорбентом є найчастіше тверде тіло. Наприклад, при всмоктуванні поживних речовин у тонкому кишківнику, поживні речовини спочатку концентруються на поверхні епітеліальних клітин кишкових ворсинок (крипт), тобто відбувається адсорбція, а потім речовини поступово проникають у цитоплазму клітини.

Абсорбція – поглинання певної речовини всією масою поглинального тіла (абсорбента), такий вид сорбції називають об’ємною сорбцією. Найчастіше сорбентом при абсорбції є рідина.

Абсорбція найчастіше характерна для газів, які після взаємодії на поверхні проникають у товщу сорбенту і розподіляються по всьому об’єму. Абсорбція відбувається при диханні: гази, потрапляючи у еритроцит розподіляються по об’єму клітини відносно рівномірно, абсорбція відбувається, якщо тварині вводять сорбент з терапевтичною метою, наприклад для сорбції токсинів у ШКТ тварин вводять активоване вугілля, біле вугілля або ентерогелі.

Сорбція характеризується тепловим ефектом: адсорбція характеризується виділенням тепла, є екзотермічним процесом, а абсорбція може супроводжуватись як виділенням так і поглинанням тепла.

За механізмом сорбція поділяється на фізичну та хімічну.

Фізична сорбція виникає у результаті притягання одних молекул іншими, є неспецифічною, оскільки діють лише відносно слабкі сили притягання Ван-дер-Ваальса. Поряд з цим діють броунівські сили, які призводять до хаотичного руху молекул сорбтиву, у результаті чого вони виходять з пор сорбенту, відбувається десорбція. Встановлюється рівновага між сорбцією і десорбцією. Процеси сорбції суттєво залежать від температури та тиску. Із збільшенням тиску інтенсивність фізичної сорбції зростає. Із збільшенням температури інтенсивність фізичної сорбції зменшується, оскільки зростає інтенсивність броунівського руху і поглинена речовина з високою інтенсивністю виходить із сорбента, зростає десорбція. Фізична сорбція характерна для фосфорорганічних пестицидів.

Фізична сорбція завжди екзотермічна.

Хімічна сорбція або хемосорбція – процес хімічної взаємодії сорбенту та сорбтиву, за якої утворюються стійкі хімічні зв’язки, хемосорбція є вибірковою і залежить від хімічних властивостей сорбента і сорбтива. Для хімічної сорбції характерні вибірковість, здатність до повного насичення.

Інтенсивність хемосорбції прямо пропорційна як тиску. Так і температурі. Із збільшенням температури зростає швидкість хімічної реакції, отже і інтенсивність хемосорбції. Прикладом хемосорбції є введення стабілізаторів у кров (ЕДТА – етилендиамінтетраацетат натрієва сіль, цитрат натрію) приводить до хемосорбції іонів Кальцію, які необхідні для згортання крові.

Так, на поверхні активованого вугілля водень і азот сорбуються лише фізично, а кисень і водяні пари сорбуються хімічно.

Хемосорбція є процесом як екзотермічним, так і ендотермічним.

Капілярна конденсація – це конденсація парів у порах, щілинах твердого сорбенту. Необхідною умовою капілярної конденсації є змочування рідиною поверхні твердого сорбенту. Капілярна конденсація розпочинається з адсорбції молекул пари на поверхні капіляру і утворення меніску рідини. Якщо меніск рідини ввігнутий, то тиск насиченої пари буде нижчим, ніж тиск над рівним меніском і конденсація буде продовжуватись до моменту, поки кривизна меніску буде дорівнювати 0.

 

Рис. 1 Капілярна конденсація.

На рис.1 показано два капіляри з різним ступенем ввігнутості меніску, ввігнутість меніску залежить від інтенсивності змочування, однак за всіх інших однакових умов, чим тонший капіляр, тим більша кривизна рідини, а отже і більша капілярна конденсація. Так, у правому капілярі кривизна меніску більша, аніж у лівому і різниця тиску Δ р₂ буде більшою, ніж Δ р₁, а отже капілярна конденсація (підняття рідини по капіляру) буде більшою, отже і h > h₁. Підняття рідини у капілярі буде тривати до моменту, поки меніск не стане горизонтальним, тоді тиск насиченої пари над капіляром і у капілярі вирівняється і капілярна конденсація припиниться.

Капілярна конденсація надзвичайно важливий процес, який використовують живі організми – це утримання певної кількості крові у капілярах навіть при пошкодженні судин, утримання розчину між ворсинками (криптами) тонкого кишківника, що дозволяє інтенсивно відбуватись так званому пристінковому травленні – поживні речовини утримуються у проміжках між ворсинками (капілярах), піддаються дії ферментів і всмоктуються у стінку кишківника (Рис.2).

Рис. 2. Пристінкове перетравлення поживних речовин: 1 – частинки поживних речовин, що знаходяться у розчині (у просвіті кишки), 2 - ворсинки (крипти) кишки, 3 – капіляри між ворсинками, 4 – поживні речовини, що утримуються у результаті капілярної конденсації.

Капілярна конденсація характерна для ґрунтів, у результаті цього явища вода піднімається на поверхню і випаровується, щоб зменшити втрату води ґрунт розпушують – руйнують капіляри. Капілярність характерна для дрібнозернистих ґрунтів – чорноземів, торфових ґрунтів, які утримують вологу на поверхні, що небезпечно для утримання тварин, такі ґрунти є холодними, вологими, багатими на мікроорганізми. Для утримання тварин необхідні ґрунти з низькою капілярністю.

2.

Сорбція твердими (нерухомими) поверхнями (сорбція твердими поверхнями газів та рідин).

Тверді тіла мають неоднорідну поверхню, тому сорбція відбувається неоднорідно по всій поверхні і характеризується так званими центрами сорбції, де сили притягання між молекулами сорбенту і сорбтиву найбільші, найчастіше такі центри знаходяться у порах або тріщинах сорбенту. Чим більша кількість нерівностей на поверхні сорбента, тим більша площа контакту, отже і інтенсивність сорбції. Фізична сорбція характеризується досить низькою енергією, триває до моменту встановлення рівноваги між сорбатом та сорбційним комплексом, у подальшому може відбуватись зворотне явище – десорбція. Хімічна сорбція характеризується більшою вільною енергією.