Значение адсорбции из растворов в природе и технике

АДСОРБЦИЯ 

   Процесс самопроизвольного изменения концентрации какого-либо вещества у поверхности  раздела двух фаз называется адсорбцией. Адсорбентом называется вещество, на поверхности которого происходит изменение концентрации другого вещества – адсорбата.

   Адсорбционные явления чрезвычайно широко распространены в живой и неживой природе. Толщи горных пород и почвы  являются огромными колоннами с  адсорбентами, по которым перемещаются водные и газовые растворы. Легочная ткань подобна адсорбенту - носителю, на котором удерживается гемоглобин крови, обеспечивающий перенос кислорода  в организм. Многие функции биологических  мембран живой клетки связаны  со свойствами их поверхности, так, например, общая площадь биологических  мембран в организме человека достигает десятков тысяч квадратных метров. Даже такие наши чувства, как  обоняние и вкус, зависят от адсорбции  молекул соответствующих веществ  в носовой полости и на языке. 

   АДСОРБЦИЯ ИЗ РАСТВОРОВ 

Изотермы  адсорбции растворенных веществ  из раствора по своему виду аналогичны изотермам адсорбции для газов; для разбавленных растворов эти  изотермы хорошо описываются уравнениями  Фрейндлиха или Ленгмюра, если в них подставить равновесную концентрацию растворенного вещества в растворе. Однако адсорбция из растворов является значительно более сложным явлением по сравнению с газовой, поскольку одновременно с адсорбцией растворенного вещества часто происходит и адсорбция растворителя. 
    

Рис.1 Ориентация молекул ПАВ на поверхности адсорбента 

Молекулярная  адсорбция из растворов. 

Зависимость адсорбции от строения молекул адсорбата очень сложна, и вывести какие-либо закономерности довольно трудно. Молекулы многих органических веществ состоят из полярной (гидрофильной) и неполярной (гидрофобной) группировок, т.е. являются поверхностно-активными веществами. Молекулы ПАВ при адсорбции на твердом адсорбенте ориентируются на его поверхности таким образом, чтобы полярная часть молекулы была обращена к полярной фазе, а неполярная – к неполярной. Так, при адсорбции алифатических карбоновых кислот из водных растворов на неполярном адсорбенте – активированном угле – молекулы ориентируются углеводородными радикалами к адсорбенту; при адсорбции из бензола (неполярный растворитель) на полярном адсорбенте – силикагеле –  ориентация молекул кислоты будет обратной (рис. 1).

Адсорбция из растворов электролитов.

Адсорбция из водных растворов электролитов происходит, как правило, таким образом, что  на твердом адсорбенте из раствора адсорбируются преимущественно ионы одного вида. Преимущественная адсорбция из раствора или аниона, или катиона определяется природой адсорбента и ионов. Механизм адсорбции ионов из растворов электролитов может быть различным; выделяют обменную и специфическую адсорбцию ионов. 

Обменная  адсорбция представляет собой процесс обмена ионов между раствором и твердой фазой, при котором твердая фаза поглощает из раствора ионы какого-либо знака (катионы либо анионы) и вместо них выделяет в раствор эквивалентное число других ионов того же знака. Обменная адсорбция всегда специфична, т.е. для данного адсорбента к обмену способны только определенные ионы; обменная адсорбция обычно необратима.

При специфической адсорбции адсорбция на поверхности твердой фазы ионов какого-либо вида не сопровождается выделением в раствор эквивалентного числа других ионов того же знака; твердая фаза при этом приобретает электрический заряд. Это приводит к тому, что вблизи поверхности под действием сил электростатического притяжения группируется эквивалентное число ионов с противоположным зарядом, т.е. образуется двойной электрический слой. Взаимодействие концентрирующихся на поверхности зарядов приводит к понижению поверхностной энергии системы. Для случая специфической адсорбции электролита Песковым и Фаянсом было сформулировано следующее эмпирическое правило (правило Пескова – Фаянса):

На  поверхности кристаллического твердого тела из раствора электролита специфически адсорбируется ион, который способен достраивать его  кристаллическую  решетку или может  образовывать с одним  из ионов, входящим в  состав кристалла, малорастворимое  соединение. 

ЗНАЧЕНИЕ  АДСОРБЦИИ ИЗ РАСТВОРОВ В ПРИРОДЕ И ТЕХНИКЕ.

Адсорбция из растворов имеет огромное значение для большинства физико-химических процессов, происходящих в растительных и животных организмах. Явления химических превращений при усвоении питательных веществ обычно начинаются с накопления реагирующих веществ на поверхности природных катализаторов — ферментов. Проникновение веществ в организм через полупроницаемые перегородки также обычно начинается с явления адсорбции, происходящего на поверхности раздела.

В технике  молекулярная адсорбция из растворов  получила очень широкое применение. Т. Е. Ловиц впервые применил адсорбцию еще в XVIII в. для очистки древесным углем растворов от различных примесей. В настоящее время обычный способ осветления сахарных сиропов осуществляется обработкой их активным углем. Смазочные масла также очищают с помощью специальных глин, действующих в качестве адсорбента.

Путем адсорбции извлекают малые количества веществ, растворенных в больших объемах жидкости. Этим, например, пользуются в технологии редких элементов.

Очень широко адсорбцию применяют в  аналитической химии для разделения трудно разделяемых соединений. На процессах адсорбции основана хроматография, впервые предложенная в 1903 г. русским  ученым М. С. Цветом. Этим методом М. С. Цвет смог разделить сложный растительный пигмент хлорофилл на составные части.

Метод адсорбционной хроматографии в  простейшем его виде заключается  в том, что через трубку (адсорбционную  колонку), наполненную каким-нибудь адсорбентом (А1₂0₃, MgO, СаО, СаС0₃, фуллерова земля, флоридин)', в

1—бесцветный  слой;  2—ксантофилл р (желтый), 3— хлорофиллин в (желто-зеленый), 4— хлорофиллин в (зелеио-синий), 5—ксантофилл (желтый), 6—ксантофилл а'   (желтый), 7—ксантофилл а (желтый), 8—хлорофиллин (серо-стальной).

течение длительного времени медленно пропускают раствор смеси веществ, которые необходимо разделить. При этом на адсорбенте в верхней, части трубки отлагаются сильно адсорбирующиеся компоненты смеси, менее сильно адсорбирующиеся компоненты отлагаются в средних частях трубки и наименее адсорбирующиеся компоненты отлагаются на адсорбенте в самом низу трубки. Мало адсорбируемые вещества не могут задерживаться в верхних слоях адсорбента, так как при прохождении через эту зону новых порций раствора вещества, обладающие высокой адсорбционной способностью, вытесняют с поверхности адсорбента менее адсорбционноспособные соединения. 

   В результате по длине столба адсорбента образуются зоны, насыщенные отдельными компонентами смеси. Если отдельные компоненты имеют различную окраску, то эти зоны легко отличить по цвету. Если же компоненты бесцветны, но способны к люминесценции, то для определения границ между этими зонами слой адсорбента исследуют в ультрафиолетовом свете.

  Для выделения отдельных компонентов  столбик адсорбента осторожно выдавливают  из трубки и разделяют на ряд коротких столбиков (зон), из которых затем  можно извлечь адсорбированный  компонент подходящим растворителем.

  На  рис. 2 показана хроматограмма хлорофилла, состоящего, как известно, из нескольких близких по строению, но различно окрашенных веществ, что не позволяет их разделить химическими методами, но дает возможность различить их по окраске, применяя метод хроматографии.

   Для увеличения резкости границы между  отдельными зонами, в которых адсорбировано то или иное вещество, приходится обычно прибегать к дополнительному «проявлению» хроматограммы. Для этого через колонку пропускают сравнительно небольшой объем исследуемой смеси, растворенной в подходящем растворителе. После этого через колонку пропускают чистый растворитель (или последовательно ряд растворителей) и исследуют состав выходящего раствора, в котором компоненты появляются один за другим по мере увеличения их способности адсорбироваться адсорбентом. Этот метод называется проявительным.

  На  рис. 3 приведена типичная дифференциальная хроматограмма, полученная при разделении смеси аминокислот на колонке с крахмалом. Как можно видеть, почти каждый компонент дает на кривой самостоятельный пик и может быть собран в отдельную фракцию.

  Вместо  растворителя через колонку можно  пропускать раствор какого-нибудь вещества, которое адсорбируется сильнее, чем любой из компонентов исследуемой смеси. В этом случае хроматограмма имеет также ряд пиков, расположенных в порядке возрастания адсорбируемоти веществ, и заканчивается выходом чистого вытесняющего вещества. Этот метод хроматографии называется вытеснительным.

  Мы  кратко остановились на некоторых методах  жидкостной хроматографии. Но существует еще много других методов хроматографии  — осадочная, газовая, газо-жидкостная и т. д. Все эти методы подробно рассматриваются в специальных разделах аналитической химии.

  Для хроматографии первичный акт  адсорбции может иметь в зависимости  от адсорбента и разделяемых веществ  характер молекулярной адсорбции или  ионного обмена. Первичные процессы молекулярной адсорбции при хроматографии подчиняются уравнениям Ленгмюра или Фрейдлиха, а первичные процессы при ионном обмене — уравнению Б. П. Никольского, о котором будет сказано ниже.

  Хроматография получила очень широкое применение при разделении и очистке лекарственных веществ, витаминов, пигментов, энзимов, протеинов и алкалоидов.

  Интересно, что хроматография сыграла очень  большую роль при открытии новых, искусственно приготовленных трансурановых  элементов. Именно с помощью этого  метода были разделены элементы № 99 эйнштейний (Es), № 100 фермий (Fm) и № 101 менделевий (Md). 
 
 

   ВЫВОД 

   Явление адсорбции известно очень давно. Такие природные материалы, как  песок и почва, использовали для  очистки воды еще на заре человеческого  общества. В конце XVIII века К. Шееле и одновременно Фонтана обнаружили способность свежепрокаленного древесного угля поглощать различные газы в объемах, в несколько раз превышающих его собственный объем. Вскоре выяснилось, что величина поглощенного объема зависит от типа угля и природы газа. Т.Е. Ловиц в 1785 году открыл явление адсорбции углем в жидкой среде, подробно исследовал его и предложил использовать уголь для очистки фармацевтических препаратов, спирта, вина, органических соединений. Ловиц показал, что древесный уголь способен быстро очищать испорченную воду и делать ее пригодной для питья. И сейчас основным действующим началом фильтров для воды служат углеродные материалы, конечно более современные, чем природные угли. Адсорбция отравляющих веществ из воздуха была использована Н.Д. Зелинским при создании противогаза во время первой мировой войны.

   Сегодня адсорбция составляет основу многих промышленных операций и научных  исследований. Наиболее важные из них - очистка, выделение и разделение различных веществ, адсорбционная  газовая и жидкостная хроматография. Адсорбция является важной стадией  гетерогенного катализа и коррозии. Исследования поверхности тесно  связаны с развитием полупроводниковой  техники, медицины, строительства и  военного дела. Адсорбционные процессы играют ключевую роль при выборе стратегии  защиты окружающей среды.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы. Учебник для вузов – М. Химия, 1988 г.
2. Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии. Учебник для вузов – М. Химия, 1975 г.
3. Левчинков С. И. Физическая и коллоидная химия. Конспект лекций для студентов биофака ЮФУ (РГУ).