Сорбция и ее виды

СОРБЦИЯ И ЕЁ ВИДЫ

 Сорбция - это поглощение  одного вещества другим.

Поглотитель - сорбент,

поглощаемое вещество - сорбат.

Если поглощение происходит только в поверхностном слое сорбента, т.е. происходит поверхностная сорбция, она называется адсорбцией.

Если же сорбат продиффундировал по всему объёму сорбента, т.е. если произошла  объёмная сорбция, она называется абсорбцией.

 По механизму протекания  процесса сорбция подразделяется на:

физическую и химическую.

При химической сорбции (хемосорбции) между сорбентом и сорбатом возникает химическое взаимодействие, в результате чего между ними образуется третье вещество, (рис.2.)

Рис.2

Химическая сорбция намного  прочнее физической, десорбция самопроизвольно  практически не происходит.

Ещё одно отличие между физической и химической сорбцией заключается в том, что при повышении температуры физическая сорбция уменьшается, а химическая увеличивается.

 В чистом виде физическая  и химическая сорбция встречаются  редко, чаще всего сорбция включает  элементы их обеих. 

Адсорбция (лат. ad — на, при; sorbeo — поглощаю) — это, в широком смысле, процесс изменения концентрации у поверхности раздела двух фаз, а в более узком и употребительном — это повышение концентрации одного вещества (газ, жидкость) у поверхности другого вещества (жидкость, твердое тело).

Основные понятия

Поглощаемое вещество, ещё находящееся  в объёме фазы, называют адсорбтив, поглощённое — адсорбат. В более  узком смысле под адсорбцией часто  понимают поглощение примеси из газа или жидкости твёрдым веществом (в случае газа и жидкости) или жидкостью (в случае газа) — адсорбентом. При этом, как и в общем случае адсорбции, происходит концентрирование примеси на границе раздела адсорбент-жидкость либо адсорбент-газ. Процесс, обратный адсорбции, то есть перенос вещества с поверхности раздела фаз в объём фазы, называется десорбция.

 

Адсорбция происходит на границе раздела следующих фаз:

• твёрдое тело – газ;
• твёрдое тело – раствор;
• раствор – газ.

Для количественного описания адсорбции  применяют две величины: первая измеряется числом молей или граммами, приходящимися на единицу поверхности или массы адсорбента:

А = m1/m2 - абсолютная адсорбция, А = ni/S.

Величина, определяемая избытком вещества в поверхностном слое, также отнесенным к единице площади поверхности  или массы адсорбента, называется Гиббсовской или относительной адсорбцией (Г).

 

Адсорбция на границе  твёрдое тело – газ:

 

Г – величина адсорбции

где

х – количество адсорбата , к моль

S – площадь адсорбента, м2.

 В случае, если площадь адсорбента  измерить трудно, то площадь его поверхности заменяют его массой

В данном случае (поглощение газа твёрдым  адсорбентом) адсорбция является функцией температуры и газового давления.

 Г= f (T, P)

 

Адсорбция происходит при постоянной температуре (T = const). Величина адсорбции является функцией аргумента Р:

 

 Г = f (P)

 Это равенство имеет графическое  выражение, рис.3, которое называется  изотермой адсорбции.

Участок прямой соответствует равновесному состоянию:

V адсорбции = V десорбции.

 Существует уравнение Фрейндлиха, графическое выражение которого позволяет этот график представить в виде прямой:

 Х = кP1/n - уравнение Фрейндлиха

Х – количество адсорбата на 1 г  адсорбента

 к, 1/n - константы

 Р – газовое давление, кПа.

 Прологарифмируем это уравнение:

lg X = lg к + 1/n lg P, рис.4

Рис. 4

 

Тангенс угла наклона прямой (tgλ) равняется  величине 1/n.

 Отрезок, отсекаемый по оси  х, равен величине lgк

Адсорбция зависит от концентрации компонентов и температуры.

Адсорбция на границе  газ – жидкость

Атомы или молекулы конденсированных фаз (жидкостей и твердых тел), находящиеся на поверхности, обладают большей энергией по сравнению с таковыми в объеме фаз. Поскольку эти частицы на поверхности связаны с меньшим числом соседних атомов или молекул, чем в объеме фазы, то переход частицы (молекулы или атома) из объема фазы на поверхность связан с разрывом некоторых связей. Поэтому увеличение числа молекул или атомов на поверхности, то есть увеличение поверхности требует затраты энергии, которая идет на разрыв существующих межмолекулярных связей и превращается в свободную поверхностную энергию атомов или молекул. Поверхностное натяжение жидкостей зависит от температуры и наличия примесей

 С ростом температуры поверхностное  натяжение линейно падает. Вблизи  Т (критическая температура) линейный ход нарушается, а поверхностное натяжение становится равным нулю.

 

 Все вещества, по своему влиянию на поверхностное натяжение, делятся на два типа:

1. Вещества, способные повышать  поверхностное натяжение жидкостей,  называются поверхностно-инактивными (ПиАВ). Для воды, например, таковыми являются электролиты.

2. Вещества, понижающие поверхностное  натяжение жидкостей, называются  поверхностно-активными веществами (ПАВ).

Молекула ПАВ имеет характерное  строение. Она обязательно состоит  из двух частей:

1) неполярный радикал (алифатический,  ароматический или их сочетание);

2) полярная группа (ОН,NН2, СООН, ОSО3Н).

Поскольку полярные группы имеют большое  сродство к полярным, а неполярные радикалы – к неполярным средам, то молекулы ПАВ являются дифильными. Количественно влияние содержания ПАВ в растворе на поверхностное натяжение при постоянной температуре выражается изотермой поверхностного натяжения.

Ионогенные ПАВ в растворе диссоциируют на ионы, а неионогенные в растворе находятся в виде молекул. Неионогенные ПАВ в растворе не диссоциируют на ионы, а находятся в виде молекул. Примером таких ПАВ могут служить спирты.

Опытным путем Траубе установил, что  в водных растворах гомологического  ряда жирных кислот при переходе от низшего гомолога к высшему поверхностная активность увеличивается в 3 – 3,5 раза. Эта формулировка получила название правила Траубе.

 

При одинаковой концентрации понижение  поверхностного натяжения возрастает при переходе от уксусной кислоты  к масляной. Изучение сущности этого  явления показало, что изменение поверхностного натяжения раствора объясняется тем, что концентрация ПАВ в объеме раствора и на поверхности “газ – жидкость” – различная.

Поэтому понижение поверхностного натяжения растворителя в присутствии  ПАВ можно объяснить концентрированием молекул ПАВ на поверхности раздела фаз «жидкость – газ», т.е. адсорбцией молекул ПАВ. Связь между молярной концентрацией молекул ПАВ в объеме раствора, величиной адсорбции и поверхностной активностью установлена Гиббсом термодинамическим методом.

В работах Гаркинса и Ленгмюра показано, что при адсорбции дифильные  молекулы ПАВ ориентируются на поверхности  раздела фаз полярными группами в родственную полярную среду, а  неполярными радикалами – в неполярную.

Физическая адсорбция

При физической сорбции между сорбентом и сорбатом происходит только межмолекулярное взаимодействие, т.е. сцепление достаточно непрочное, и со временем начинается обратный процесс - процесс отдачи поглощённого вещества, и в конце концов устанавливается равенство скоростей обоих процессов:

Vадсорбции == Vдесорбции

Модели физической адсорбции

 

Образование монослоя

Рис. 1: a) адсорбент, b) адсорбат, c) адсорбтив (газовая фаза или раствор)

 

 

 

 

Энергетическая диаграмма

 

 

Рис. 2: a) адсорбент, b) адсорбат, c) газовая  фаза, d - расстояние, E - энергия, Eb - энергия адсорбции, (1) десорбция, (2) адсорбция

 

Поликонденсация

Рис. 3: a) адсорбент, b) адсорбат, c) конденсат, d) адсорбтив (газовая фаза или раствор)

 

Избирательная адсорбция

Рис. 4: a) адсорбент, b) адсорбат, c) адсорбтивы (газовая фаза или раствор): показана преимущественная адсорбция частиц голубого цвета

 

Причиной адсорбции являются неспецифические (то есть не зависящие от природы  вещества) Ван-дер-Ваальсовы силы. Адсорбция, осложнённая химическим взаимодействием  между адсорбентом и адсорбатом, является особым случаем. Явления такого рода называют хемосорбцией и химической адсорбцией. «Обычную» адсорбцию в случае, когда требуется подчеркнуть природу сил взаимодействия, называют физической адсорбцией.

 

Физическая адсорбция является обратимым процессом, условие равновесия определяется равными скоростями адсорбции молекул адсорбтива P на вакантных местах поверхности адсорбента S* и десорбции — освобождения адсорбата из связанного состояния S − P:

уравнение равновесияя в таком случае:

где K —  константа равновесия, [S − P] и [S*] —  доли поверхности адсорбента, занятые  и незанятые адсорбатом, а [P] —  концентрация адсорбтива.

 

Количественно процесс физической мономолекулярной адсорбции в случае, когда межмолекулярным  взаимодействием адсорбата можно пренебречь, описывается уравнением Ленгмюра:

где  —  доля площади поверхности адсорбента, занятая адсорбатом,  — адсорбционный  коэффициент Ленгмюра, а P — концентрация адсорбтива.

 

Поскольку  и, соответственно, , уравнение адсорбционного равновесия может быть записано следующим образом:

Уравнение Ленгмюра является одной из форм уравнения  изотермы адсорбции. Под уравнением изотермы адсорбции (чаще применяют  сокращённый термин — изотерма адсорбции) понимают зависимость равновесной величины адсорбции от концентрации адсорбтива a=f(С) при постоянной температуре (T=const). Концентрация адсорбтива для случая адсорбции из жидкости выражается, как правило, в мольных либо массовых долях. Часто, особенно в случае адсорбции из растворов, пользуются относительной величиной: С/Сs, где С — концентрация, Сs — предельная концентрация (концентрация насыщения) адсорбтива при данной температуре. В случае адсорбции из газовой фазы концентрация может быть выражена в единицах абсолютного давления, либо, что особенно типично для адсорбции паров, в относительных единицах: P/Ps, где P — давление пара, Ps — давление насыщенных паров этого вещества. Саму величину адсорбции можно выразить также в единицах концентрации (отношение числа молекул адсорбата к общему числу молекул на границе раздела фаз). Для адсорбции на твёрдых адсорбентах, особенно при рассмотрении практических задач, используют отношение массы или количества поглощённого вещества к массе адсорбента, например мг/г или ммоль/г.

Значение адсорбции

 

Адсорбция — всеобщее и повсеместное явление, имеющее место всегда и везде, где есть поверхность раздела  между фазами. Наибольшее практическое значение имеет адсорбция поверхностно-активных веществ и адсорбция примесей из газа либо жидкости специальными высокоэффективными адсорбентами. В качестве адсорбентов могут выступать разнообразные материалы с высокой удельной поверхностью: пористый углерод (наиболее распространённая форма — активированный уголь), силикагели, цеолиты а также некоторые другие группы природных минералов и синтетических веществ.

Очень хороший  адсорбент - уголь. Причем не каменный, а древесный, и не просто древесный, а активный (активированный). Такой  уголь продают в аптеках, обычно в виде таблеток. С ним можно провести опыты по адсорбции.

 

• Приготовьте бледный раствор чернил любого цвета и налейте в пробирку, но не доверху. Положите в пробирку таблетку активного угля, лучше растолченного, закройте пальцем и встряхните как следует. Раствор посветлеет на глазах. Поменяйте раствор на какой-либо другой, но тоже окрашенный - пусть это будет разбавленная гуашь или акварель. Эффект окажется таким же. А если взять кусочки древесного угля, то они будут поглощать краситель значительно слабее.

В этом нет ничего странного: активный уголь отличается обычного тем, что у него гораздо большая поверхность. Его частицы буквально пронизаны порами (для этого уголь особым способом обрабатывают и удаляют из него примеси). А коль скоро адсорбция - это поглощение поверхностью, то ясно: больше поверхность, тем и поглощение лучше.

Адсорбенты способны поглощать  вещества не только из растворов.

 

• Возьмите пол-литровую стеклянную банку и капните на одну каплю одеколона или любого другого пахучего вещества. Обхватите банку ладонями и подержите ее так с полминуты, чтобы немного нагреть пахучую жидкость - тогда она будет быстрее испаряться и сильнее пахнуть. Как принято в химии, не нюхай вещество прямо из склянки, а легкими взмахами руки направьте к носу воздух вместе с парами летучего вещества: не всегда ведь известно, хорошо ли пахнет то вещество, которое в склянке.

 

Каким бы ни был запах, вы его, конечно, почувствуете явственно. А теперь положите в склянку немного активного  угля, закройте ее плотно крышкой и  оставьте на несколько минут. Снимите  крышку и вновь направьте воздух к себе взмахами ладони. Запах исчез. Он поглотился адсорбентом, или, точнее, поглотились молекулы летучего вещества, которое вы поместили в банку.

Не обязательно брать для  этих опытов активный уголь. Есть много  других веществ, которые могут служить адсорбентами: туф, сухая размолотая глина, мел, промокательная бумага. Словом, самые разные вещества, но обязательно с развитой поверхностью. В том числе и некоторые пищевые продукты - вы, наверное, знаете, как легко хлеб впитывает посторонние запахи. Недаром пшеничный хлеб не советуют держать в одной упаковке со ржаным - их запахи смешиваются, и каждый теряет свой особый, только ему присущий аромат.