§ 13.1.1. Молекулярная адсорбция.

Неэлектролиты и слабые электролиты на поверхности адсобента адсорбируются из растворов в виде молекул. Такой процесс называют молекулярной адсорбцией.

В результате такой адсорбции концентрация растворенного вещества в растворе уменьшается. Адсорбцию определяют по формуле:

А= ,

где С₀ – исходная концентрация адсорбата, моль/л;

С – равновесная концентрация адсорбата, моль/л;

V – объем раствора адсорбата, из которого происходила адсорбция, л;

m – масса адсорбента, г.

Адсорбция зависит от природы и концентрации адсорбата, температуры, природы адсорбента и растворителя, удельной поверхности адсорбента.

Отечественный физикохимик П.А. Ребиндер сформулировал правило выравнивания полярности: на полярных адсорбентах лучше адсорбируются полярные адсорбаты из малополярных растворителей; на неполярных адсорбентах – неполярные адсорбаты из полярных растворителей.

Для системы адсорбат – адсорбент влияние природы растворителя на адсорбцию может быть также сформулировано в виде следующего правила: чем лучше в данном растворителе растворяется данный адсорбат, тем он хуже адсорбируется; тем хуже растворяется – тем лучше из него адсорбируется.

Как известно, адсорбция экзотермична, а поэтому с повышением температуры уменьшается. Однако если растворимость адсорбтива в данном растворителе падает с ростом температуры, то адсорбция из раствора твердым адсорбентом может увеличиваться.

С ростом концентрации раствора адсорбция на границе раздела твердое тело - раствор возрастает до предельного значения. Анализ экспериментально наблюдаемой изотермы аналогичен анализу, при­веденному в предыдущем разделе. Для этого используются уравне­ния Фрейндлиха и Ленгмюра

При адсорбции ПАВ на границе раздела твердое тело – раствор, так же как и на границе раствор – газ, наблюдается различная ориентация молекул адсорбата. В системе полярный адсорбент – неполярный растворитель молекулы адсорбата обращены полярной частью («головой») к поверхности адсорбента, а неполярная их часть («хвост») погружена в растворитель (рис.27)

В качестве примера можно привести поведение дифильного ве­щества по отношению к неполярному адсорбенту - активированно­му углю в полярной среде - воде. В таких условиях молекулы дифильной природы будут адсорбироваться на поверхности угля, ориентируясь по отношению к нему своими гидрофобными участка­ми. Напротив, те же молекулы в неполярном растворителе, бензоле, адсорбируются на полярном адсорбенте (силикагеле SiO₂), связы­ваясь с адсорбентом полярными участками молекул.

а) Силикагель б) Сажа

Рис. 27. Ориентация молекул ПАВ на границе раздела твердое тело – раствор:

а) – силикагель – бензол; б) – сажа – вода

В системе полярный растворитель - малополярный адсорбент - адсорбция ПАВ подчиняется правилу Дюкло-Траубе.

При адсорбции ПАВ из неполярных растворителей полярными адсорбентами выполняется обращенное правило Дюкло-Трау­бе: с ростом длины радикала адсорбция уменьшается. Обращение правила объясняется тем, что с ростом углеводородной цепи рас­творимость ПАВ в неполярных растворителях увеличивается.

Закономерности распределения веществ между раствором и твердой фазой важны для понимания процессов обмена веществ. Законы распределения твердого вещества между неполярной фазой липидного слоя биомембран и полярной фазой (внутри- и межкле­точной жидкостью) управляют поступлением питательных веществ и удалением продуктов метаболизма. С явлением адсорбции на кле­точных мембранах из полярных биосред организма связано физио­логическое действие многих лекарств (барбитураты, анестезирую­щие средства и др.) и токсическое действие ОВ (например, иприта и люизита). Существует специальный механизм окисления непо­лярных или малополярных чужеродных для организма веществ (ксенобиотиков), в результате чего эти вещества приобретают по­лярные группировки, и их способность адсобироваться на липидных мембранах падает. В итоге они переходят в водную фазу, откуда уже могут покинуть организм с выделениями.

Молекулярная адсорбция твердыми адсорбентами из растворов широко распространена в медицинской практике. Уже давно при отравлениях растительными ядами, токсинами, малополярными ле­карствами (например, барбитуратами) применяют активированный уголь для их удаления из пищеварительного тракта. В настоящее время осуществляют сорбционную детоксикацию крови и лимфы больного пропусканием их через активированный уголь. Гемо- и лимфосорбция позволяют удалить из организма токсичные органи­ческие жидкости (например, дихлорэтан и другие галогенопроизводные), фосфорорганические соединения и др. Адсорбцию исполь­зуют для очистки питьевой воды и сточных вод.