Адсорбція та абсорбція. Ізотерми адсорбції. Визначення cорбції та її види СРС на тему адсорбція

Сорбцією (від латів. sorbeo - поглинаю, втягую) називають будь-який процес поглинання однієї речовини (сорбтиву) іншим (сорбентом), незалежно від механізму поглинання. Залежно від механізму сорбції розрізняють адсорбцію, абсорбцію, хемосорбцію та капілярну конденсацію.

Адсорбціяназивають зміну концентрації речовини межі розділу фаз. Адсорбція відбувається на будь-яких міжфазових поверхнях, і адсорбуватися можуть будь-які речовини. Адсорбційне рівновагу, тобто. рівноважний розподіл речовини між прикордонним шаром і межами, що межують, є динамічною рівновагою і швидко встановлюється. Адсорбція зменшується із підвищенням температури.

У ряді випадків поглинання однієї речовини іншою не обмежується поверхневим шаром, а відбувається у всьому обсязі сорбенту. Таке поглинання називають абсорбцією.Прикладом процесу абсорбції є розчинення газів у рідинах. Поглинання однієї речовини іншою, що супроводжується хімічними реакціями, називають хемосорбція.Так, поглинання аміаку або хлороводню водою, поглинання вологи та кисню металами з утворенням оксидів та гідроксидів, поглинання діоксиду вуглецю оксидом кальцію – приклади хемосорбційних процесів. Капілярна конденсаціяполягає в зрідженні пари в мікропористих сорбентах. Вона відбувається внаслідок того, що тиск парів над увігнутим меніском рідини в вузьких капілярах, що змочуються нею, менший, ніж тиск насиченої пари над плоскою поверхнею рідини при тій же температурі.

Таким чином, сорбційні процеси різні за їх механізмом. Однак будь-який сорбційний процес починається з адсорбції на межі дотичних фаз, які можуть бути рідкими, газоподібними або твердими.

Як зазначалося в § 106, всі мимовільні процеси на межах розділу фаз відбуваються у напрямку зменшення вільної поверхневої енергії. Отже, позитивна адсорбція, що призводить до підвищення концентрації речовини в прикордонному шарі, можлива лише в тому випадку, якщо зменшується величина поверхневого натягу.

Розглянемо взаємозв'язок поверхневого натягу розчинів з адсорбцією межі розділу рідина | газ. Поверхневий натяг розчинів залежить від природи розчинника та розчиненої речовини, від концентрації останнього та від температури. Залежність поверхневого натягу розчинів при постійній температурі від концентрації розчиненої речовини називають ізотермою поверхневого натягу.Розчинені речовини або знижують поверхневе натяг розчинника, і в такому випадку їх називають поверхнево-активнимиречовинами (ПАР), або підвищують поверхневий натяг (поверхнево-інактивні)речовини) або не впливають на величину поверхневого натягу розчинника (рис. 95). У водних розчинах поверхнево-активні органічні полярні сполуки (спирти, кислоти, аміни, феноли). Поверхнево-інактивна більшість сильних електролітів.

Поверхнево-активні речовини поділяються на дві великі підгрупи: 1) істинно розчинні у воді та 2) міцелярні колоїди.

ПАР першої підгрупи є дифільні молекули з короткими вуглеводневими радикалами, а ПАР другої підгрупи - дифільні молекули з довгими вуглеводневими радикалами, малорозчинні у воді.

Різниця концентрацій розчиненої речовини в поверхневому шарі і в такому ж шарі всередині об'єму розчину називають поверхневим надлишком цієї речовини і позначають грецькою літерою Г («гам-

Мал.

Мал.

Структура поверхневого шару: а- Чистий розчинник; б- ненасичений мономолекулярний шар ПАР; в- Насичений мономолекулярний шар ПАР

(а - поверхневий натяг, C -концентрація розчину): 1,2 - розчини поверхнево-активних речовин (ПАР) з більшою (/) та меншою (2) поверхневою активністю; 3 - розчин поверхнево-активної речовини ма»). ПАР позитивно адсорбуються в поверхневому шарі, і, отже, їм Г > 0, оскільки це призводить до зменшення поверхневого натягу. Навпаки, поверхнево-інактивні речовини адсорбуються негативно, тобто. їх концентрація в поверхневому шарі менша, ніж в об'ємі розчину (Г

Приклад ізотерми адсорбції для поверхнево-активної речовини показано на рис. 96. Як видно, зі збільшенням концентрації розчину Г досягає граничного значення (T 00), коли весь поверхневий шар зайнятий молекулами ПАР, що витісняють молекули розчинника. У таких насичених мономолекулярних поверхневих шарах молекули ПАР правильно орієнтовані своєю полярною групою до полярної фази (наприклад, води), а неполярним вуглеводневим радикалом - до неполярної фази (наприклад, повітря), утворюючи подібність частоколу.

Аналогічно змінюється прикордонний натяг і відбувається адсорбція третього компонента на межі двох рідин, що не змішуються.

Адсорбція газів та парів на поверхні твердих тіл також відбувається внаслідок зменшення вільної поверхневої енергії. Зважаючи на труднощі вимірювання поверхневого натягу твердих тіл про адсорбцію на них судять, безпосередньо визначаючи кількість адсорбованої речовини. Останнє тим більше, чим більша поверхня адсорбенту. Тому для здійснення адсорбційних процесів дуже важливим є створення високопористих адсорбентів з розвиненою внутрішньою поверхнею, яку характеризують питомою поверхнею, тобто. поверхнею, що припадає на 1 г сорбенту. Найважливішими пористими сорбентами є активне вугілля та силікагель. Поглинаюча здатність вугілля помічена ще у XVIII ст. Проте лише 1915 р. Н.Д. Зелінський розробив спосіб отримання активного вугілля, Запропонувавши їх як універсальні поглиначі отруйних речовин, і спільно з Е.Л. Кумантом сконструював вугільний протигаз із гумовою маскою. Один з перших способів активування деревного вугілля полягав у обробці його перегрітою парою для видалення смолистих речовин, що утворюються при сухій перегонці деревини та заповнюють пори у звичайному куті.

Сучасні методи отримання та дослідження активного вугілля в нашій країні розроблені М.М. Дубініним. Питома поверхня активного вугілля досягає 1000 м 2 на грам. Активне вугілля є гідрофобним адсорбентом, погано поглинає пари води та дуже добре – вуглеводні.

Для поглинання парів води широко застосовують гідрофільний адсорбент, що являє собою аерогель зневодненої кремнієвої кислоти і отримав назву силікагелю.Промисловість виготовляє ряд марок силікагелю з різним розміром та розподілом пір.

На відміну від поверхні рідин, не всі точки поверхонь твердих тіл рівноцінні щодо їх адсорбційної здатності. При малих концентраціях газів адсорбція відбувається мономолекулярно по найактивніших ділянках адсорбенту - його «активним центрам», що є окремими атомами або групами атомів поверхні, силове поле яких найменш насичене. При адсорбції газів, що знаходяться при температурах нижче за їх критичну температуру, мономолекулярна адсорбція зі збільшенням тиску може переходити в полімолекулярну.

Підвищення температури та зниження тиску призводять до десорбції газів та парів. Внаслідок цього сорбційно-десорбційні методи широко застосовують у промисловості для отримання різних речовин з повітряного середовища, а також для поділу газів і парів.

При адсорбції розчинених речовин із розчинів на твердих адсорбентах завжди, тією чи іншою мірою, відбувається також адсорбція розчинників. Тому адсорбція з розчинів носить конкурентний характер між поглинанням розчинених речовин та розчинника. Адсорбуватися можуть розчинені неелектроліти, так і електроліти. У зв'язку з цим розрізняють молекулярну та іонну адсорбцію розчинів.

З метою зменшення адсорбції розчинника при молекулярній сорбції з водних розчинів зазвичай застосовують гідрофобний адсорбент - активне вугілля, а при сорбції з неполярних розчинників (вуглеводнів) гідрофільний адсорбент - силікагель. Адсорбція протікає активними центрами адсорбенту, часто мономолекулярно і високовиборчо. Ізотерми молекулярної адсорбції з розчинів, як і газів і парів, мають вигляд кривої, наведеної на рис. 96. Десорбцію, що здійснюється за допомогою рідин, зазвичай називають елюцією,а рідини або розчини, які застосовуються для цих цілей, елюентами.

Сорбція може відбуватися у статичних чи динамічних умовах. Сорбцію називають статичної,коли речовина, що поглинається (сорбтив), що знаходиться в газоподібній або рідкій фазі, приведено в контакт з нерухомим сорбентом або перемішується з ним. Статичну активність сорбенту характеризують кількістю поглинається на одиницю маси сорбенту в певних умовах.

Динамічнійсорбцію називають у тому випадку, коли поглинається речовина знаходиться в рухомій рідкій або газоподібній фазі, яка фільтрується через шар сорбенту. Динамічну активність адсорбенту характеризують часом з початку пропускання адсорбтиву до його проскоку, тобто. до його за шаром адсорбенту (Н.А. Шилов, 1917 р.). У промисловості сорбційно-десорбційні процеси, як правило, здійснюють у динамічних умовах, оскільки це забезпечує безперервність технологічних процесів та можливість їх автоматизації.

• Микола Дмитрович Зелінський (1861 – 1953) – академік, засновник великої школи хіміків-органіків. Йому належать класичні роботи в галузі органічного каталізу, а також з хімії нафти та отримання з неї багатьох цінних продуктів.
• Михайло Михайлович Дубінін (1901-1993) – академік, лауреат Державних премій, голова великої наукової школи в галузі сорбції. Вніс великий вклад у розробку сучасних уявлень про механізм сорбції газів і парів, а також методів отримання та дослідження сорбентів.

АДСОРБЦІЯ(від лат. ad-на, при і sorbeo-поглинаю), зміна (зазвичай-підвищення) концентрації в-ва поблизу пов-сті розділу фаз ("поглинання на пов-сті"). У випадку причина адсорбції - нескомпенсированность межмол. сил поблизу цієї пов-сті, тобто. наявність адсорбції. силового поля. Тіло, що створює таке поле, зв. адсорбентом, по-во, молекули якого можуть адсорбуватися,-а д со р б т і в о, вже адсорбиров. в-во-адсорбатом. Процес, зворотний адсорбції, зв. десорбцією.

Природа адсорбції. сил м. б. дуже різною. Якщо це ван-дер-ваальсові сили, то адсорбція зв. фізичної, якщо валентні (тобто адсорбція супроводжується утворенням поверхневих хімічних сполук), - хімічною, або хемосорбцією. Відрізнить. риси хемосорбції – незворотність, високі теплові ефекти (сотні кДж/моль), активований характер. Між фіз. та хім. адсорбцією існує безліч проміжків. випадків (напр. адсорбція, обумовлена ​​утворенням водневих зв'язків). Можливі також разл. типи фіз. адсорбції наиб. універсальний прояв дисперсійних міжмол. сил тяжіння, тому що вони приблизно постійні для адсорбентів з повстю будь-який хімічний. природи (т. зв. неспецифічна адсорбція). Фіз. адсорбція може бути спричинена електростатич. силами (взаємод. між іонами, диполями або квадруполями); при цьому адсорбція визначається хім. природою молекул адсорбтиву (т. зв. специфік. адсорбція). Значить. роль при адсорбціїграє також геометрія пов-сті розділу: у разі плоскої пов-сті говорять про адсорбцію на відкритій пов-сті, у разі слабо або сильно викривленої пов-сті-про адсорбції в порах адсорбенту.

У теорії адсорбції розрізняють статику (система адсорбент-ад-сорбат знаходиться в термодинамічній рівновазі) та кінетику (рівноваги немає).

Статика адсорбції

Т.к. система рівноважна, то хім. потенціали адсорбату та адсорбтиву однакові; ентропія адсорбату внаслідок зменшення рухливості молекул при адсорбції менша за ентропію адсорбтиву. Тому за інертному адсорбенті ентальпія завжди негативна, тобто. адсорбція екзотермічна. Врахування зміни ентропії адсорбенту може змінити цей висновок. Напр., при сорбції полімерами в-в, в яких брало полімер набухає, ентропія останнього (через збільшення рухливості макромолекул) може настільки сильно зрости, що адсорбція стає ендотермічною. Надалі у статті розглядається лише екзотерміч. адсорбція .

Розрізняють інтегральну, дифференц., Ізостерич. та середню теплоту адсорбції. Інтегральна теплота Q дорівнює спаду ентальпії (при V= const -внутр. енергії) при зміні адсорбції від a 1 до а 2 (в окремому випадку м.б. а 1 =0): Q= -(Н 2 - Н 1) Цю величину відносять зазвичай до маси адсорбенту і виражають Дж/кг.

Існує ще один механізм, що призводить до доповнення. адсорбції адсорбтивів нижче їх критич. т-ри на пористих адсорбентах при порівняно високих значеннях p/ps. Це - капілярна конденсація. Якщо у часі утворився увігнутий меніск адсорбату, то в ній починається конденсація при p/p s<1. Согласно ур-нию Кельвина:

де-поверхневий натяг адсорбату, V-його мольний об'єм, r-радіус кривизни меніска. Капілярна конденсація призводить до різкого підйому ізотерми адсорбції. У цьому часто (але завжди) спостерігається т. зв. адсорбц. гістерезис, тобто. розбіжність адсорбц. та десорбц. гілок ізотерми. Як правило, це пов'язано з тим, що форми менісків при адсорбції та десорбції не збігаються.

Використовуючи потенційну теорію, М.М. Дубінін запропонував та розробив теорію об'ємного заповнення мікропор (ТОЗМ). Було постулировано, що ця теорія застосовна лише мікропористим адсорбентам . Особливість таких адсорбентів, в яких брало лінійні розміри пор r1 нм, полягає в тому, що весь обсяг їх пор "заповнений" адсорбц. полем. Тому при адсорбції вони заповнюються не пошарово, а об'ємно. Розмір у цьому випадку - це адсорбц. потенціал, а з точністю до хімічного знака. потенціал адсорбату, що відраховується від рівня хім. потенціалу нормальної рідини за тієї ж т-ре. Вся сукупність пір адсорбентів поділяється на три класи: мікропори (r0,6 нм), мезопори (0,6 нмr20 нм) та макропори (r20 нм). Адсорбція мікропорах відбувається за схемою ТОЗМ, тобто. об'ємно, в мезопорах-за механізмом пошарового заповнення, що завершується капілярною конденсацією. Макропори при адсорбції. рівноваги жодної ролі не грають.

Ввівши уявлення про ф-ції розподілу обсягів пір за значеннями хім. потенціалу адсорбату у яких, М.М. Дубінін і Л. В. Радушкевич отримали ур-ня ізотерми адсорбції ТОЗМ, які зазвичай записують у слід. формі:

де п, Е та а 0 -параметри (а 0 = а при р = p s). Температурна залежність a 0:

де = -(da 0/dT); a 0 0 = a 0 за Т = Т 0 . Параметри п і Е майже залежить від т-ры. У більшості випадків п = 2. Лише для випадків, коли початкові теплоти адсорбції дуже великі, п > 2. Для перерахунку ізотерм адсорбції з одного адсорбтиву на інший приблизно допускають, що E 1 /E 2 P 1 /P=і що a 01 / a 02 V 1 /V 2 де P i -парахор, V i - мольний обсяг адсорбтиву.

Користуючись уявленням, що у реальному адсорбенті є пори різних розмірів, і запроваджуючи розподіл значень Е з дисперсією, рівної Ф. Стекли запропонував узагальнення ур-ния (23), назване ур-нием Дубініна-Стеклі:

Кінетика адсорбції

Адсорбція, як будь-який реальний процес, відбувається у часі. Тому повна теорія адсорбції повинна містити розділ про кінетику адсорбції. Елементарний акт адсорбції здійснюється практично миттєво (виняток-хемосорбція). Тому часові залежності адсорбції визначаються в осн. механізмом дифузії, тобто підведення адсорбтиву до місця адсорбції. Якщо адсорбція на відкритій пов-сті не миттєва, такий процес відбувається у зовнішньодифузійній ділянці; при цьому закони дифузії не специфічні для адсорбції. У разі пористих адсорбентів, крім внеш. дифузії, важливу роль починає грати всередину. дифузія, тобто. перенесення адсорбтиву в порах адсорбенту за наявності в них градієнта концентрації. Механізм такого перенесення може залежати від концентрації адсорбтиву та розмірів пір.

Розрізняють молекулярну, кнудсенівську та поверхневу (фольмерівську) дифузію. Молекулярна дифузія здійснюється, якщо довжина вільн. пробігу молекул у порах менше розміру пір, кнудсенівська-якщо ця довжина перевищує розмір пір. При поверхневій дифузії молекули переміщуються по пов-ності адсорбенту без переходу в об'ємну фазу. Однак значення коеф. дифузії не однакові для різних механізмів дифузії. У багатьох. випадках експериментально не вдається встановити, як відбувається дифузія , і тому вводять т. зв. ефективний коеф. дифузії, що описує процес в цілому.

основ. Експерім. матеріалом про кінетику адсорбції служить т. зв. кінетич. крива, тобто. ф-ция= а/а дорівнює =f(t) де-відносна адсорбція, що дорівнює відношенню поточного значення адсорбції а до a дорівнює - її значення при часі t. Для тлумачення кінетич. кривою у найпростішому випадку припускають, що зерно адсорбенту має абсолютно однорідну за обсягом пористу структуру (цю модель наз. квазігомогенній). значить. удосконалення квазигомогенной моделі-уявлення про те, що кожне зерно містить області з більшими і тоншими порами. Дифузія у такому зерні описується двома разл. коефіцієнтами.

У разі відкритої пов-сті, приймаючи модель Ленгмюра, легко отримати кінетич. ур-ня адсорбції. Швидкість наближення до рівноваги є різницею швидкостей адсорбції та десорбції. Вважаючи, як завжди в кінетиці, що швидкості процесів пропорційні концентраціям реагують в-в, маємо:

де kадс і kдес - константи швидкості соотв. адсорбції та десорбції. Тиск у газовій фазі вважається постійним. При інтегруванні цього ур-ня від t = 0 до будь-якого значення t отримаємо:

Звідси при f маємо: = рівн. Тому остаточно маємо:

де k = k адс + k дес.

Вплив т-ри швидкість адсорбції виражається ур-нием, аналогічним ур-нию Аррениуса. Зі збільшенням т-ри k адс експоненційно зростає. Т.к. дифузія в порах адсорбенту пов'язана з подоланням активації. бар'єрів, температурні залежності k адс і k дес не однакові.

Знання швидкостей дифузії важливе як для теорії адсорбції, але й розрахунку пром. адсорбц. процесів. При цьому зазвичай мають справу не з окремими зернами адсорбенту, а з їх шарами. Кінетика процесу у шарі виражається дуже складними залежностями. У кожній точці шару в даний момент часу величина адсорбції визначається не тільки видом ур-ня ізотерми адсорбції та закономірностями кінетики процесу, але також аеро-або гідродинамічні. умовами обтікання зерен газовим чи рідинним потоком Кінетика процесу у шарі адсорбенту на відміну кінетики в окремому зерні зв. динамікою адсорбції, загальна схема розв'язання завдань якої така: складається система диференц. ур-ний у приватних похідних, що враховує характеристики шару, ізотерму адсорбції, дифузійні характеристики (коеф. дифузії, види перенесення маси по шару і всередині зерен), аеро- та гідродинамічні. особливості потоку Задаються початкові та крайові умови. Рішення цієї системи ур-ний у принципі призводить до значень величин адсорбції в даний момент часу в даній точці шару. Як правило, аналітич. рішення вдається одержати лише найпростіших випадків, тому таке завдання вирішується чисельно з допомогою ЕОМ.

При дослідному вивченні динаміки адсорбції через шар адсорбенту пропускають газовий або рідинний потік із заданими характеристиками та досліджують склад вихідного потоку як ф-цію часу. Поява поглинається в-ва за шаром зв. проскоком, а час до проскоку – часом захисної дії. Залежність концентрації даного компонента за шаром іноді зв. вихідний кривій. Ці криві служать осн. Експерім. матеріалом, що дозволяє судити про закономірності динаміки адсорбції.

Апаратурне оформлення адсорбційних процесів

Існує безліч технол. прийомів проведення адсорбції. процесів. Широко поширені цикліч. (періо-дич.) установки з нерухомим шаром адсорбенту, осн. вузол до-рих - один або дек. адсорберів, виконаних у вигляді порожнистих колон, що заповнюються гранульованим адсорбентом. Газовий (або рідинний) потік, що містить компоненти, що адсорбуються, пропускається через шар адсорбенту до проскоку. Після цього адсорбент в адсорбер регенерують, а газовий потік направляють в ін. адсорбер . Регенерація адсорбенту включає ряд стадій, з яких брало основна-десорбція, тобто. виділення раніше поглиненого в-ва з адсорбенту. Десорбцію проводять нагріванням, скиданням тиску в газовій фазі, витісненням (напр., гострим водяним)

Якщо абсорбція є фізичним процесом, що не супроводжується іншими фізичними або хімічними процесами, вона зазвичай підпорядковується закону розподілу Нернста:

"при рівновазі відношення концентрацій третього компонента у двох рідких станах є постійною величиною.";

Об'єм постійної K N залежить від температури і називається коефіцієнтом розподілу. Ця рівність вірна за умови, що концентрації не надто великі і якщо молекули "х" не змінюють свою форму в будь-якому іншому з двох станів. Якщо така молекула піддається асоціації чи дисоціації , тоді це рівність так само описує рівновагу між " х " в обох станах, але тільки тієї ж форми - концентрації всіх форм, що залишилися, повинні бути розраховані з урахуванням всіх інших рівноваг.

У багатьох технологічно важливих процесах хімічна абсорбція використовується замість фізичного процесу, наприклад абсорбція вуглекислого газу гідроксидом натрію - такі процеси не дотримуються закону розподілу Нернста.

Для деяких прикладів цього ефекту можна розглянути екстракцію, при якій можна витягти компонент з однієї рідкої фази розчину і перенести до іншої без хімічної реакції. Приклади таких розчинів - благородні гази та оксид осмію.

Посилання

Wikimedia Foundation. 2010 .

Синоніми:

Дивитись що таке "Сорбція" в інших словниках:

Сорбція- загальна назва явища та процесів масопередачі, в яких відбувається поглинання твердим тілом або рідиною (сорбентом) речовини (сорбтиву) з навколишнього середовища. [Ушеров Маршак А. В. Бетонознавство: лексикон. М.: РІФ Будматеріали. 2009 … Енциклопедія термінів, визначень та пояснень будівельних матеріалів

- (Від лат. Sorbeo поглинаю) поглинання твердим тілом або рідиною будь-якої речовини з навколишнього середовища. Основні різновиди сорбції: адсорбція, абсорбція, хемосорбція. Поглинаюче тіло називається сорбентом, що поглинається сорбтивом (сорбатом). Великий Енциклопедичний словник

- (Від лат. Sorbeo поглинаю), поглинання тб. тілом або рідиною (сорбентом) рідкого ва або газу (сорбату) з навколишнього середовища. Поглинання у ва з газової фази всім обсягом рідкого сорбенту зв. абсорбцією, поглинання у ва поверхневим шаром. Фізична енциклопедія

Адсорбція, хемосорбція, поглинання, сорбування, абсорбція, хімсорбція Словник російських синонімів. сорбція сущ., кіл у синонімів: 7 абсорбція (5) … Словник синонімів

сорбція- здатність однієї речовини поглинати (концентрувати) іншу. Загальна хімія: підручник / А. В. Жолнін Сорбція - загальна назва явищ і процесів масопередачі, в яких відбувається поглинання твердим тілом або рідиною речовини з ... Хімічні терміни

Процес поглинання всією масою (абсорбція) чи поверхнею (адсорбція) твердого тіла чи рідини речовин із довкілля. До міжклітинних взаємодій (вірус клітина, макрофаг лімфоцит та ін.) термін застосуємо у разі додавання… Словник мікробіології

Процес поглинання будь-яким тілом газів, пар або розчинених речовин з навколишнього середовища. Включає абсорбцію та адсорбцію, які можуть також супроводжуватися хім. взаємодією поглинається речовини з поглиначем. Геологічна енциклопедія

СОРБЦІЯ- Фіз. хім. процеси поглинання газів, пари та розчинених речовин твердими тілами або рідинами, званими (див.). Розрізняють такі види С.: (див.); (див.), (див.); капілярну (див.), а також іоннообмінну С., коли відбувається вибіркове… Велика політехнічна енциклопедія

І; ж. [від лат. sorbere поглинати] Фіз., Хім. Поглинання твердим тілом або рідиною якогось л. речовини із навколишнього середовища. ◁ Сорбційний, ая, ое. Ці процеси. С. насос. * * * сорбція (від латів. sorbeo поглинаю), поглинання твердим тілом або… … Енциклопедичний словник

сорбція- ▲ поглинання в напрямку, конденсований стан, середовище сорбція вибіркове поглинання твердим тілом або рідиною до л. речовини із навколишнього середовища. сорбент. абсорбція об'ємна сорбція. абсорбент. абсорбувати. адсорбція… … Ідеографічний словник української мови

Книги

• Іонообмінна сорбція біологічно активних речовин, Дьомін А., Чернова І., Шатаєва Л.. Монографія присвячена останнім досягненням в галузі синтезу високопроникних поліелектролітних сіток з фрактальною морфологією і високою гідрофільною поверхнею пір. Порівняння…

Частинки, що знаходяться на поверхні кожної фази, утворюють особливу поверхневу фазу, властивості якої суттєво відрізняються від властивостей внутрішніх областей фази. Частинки, розташовані лежить на поверхні, взаємодіють як із однорідними частинками, і з частками іншого роду (рис. 6.1).

Мал. 6.1. Поверхневий шар речовини в конденсованому стані

Наслідком цього явища є те, що середня енергія gs частинки, що знаходиться на поверхні розділу фаз, відрізняється від середньої енергії такої ж частинки в об'ємі фази gv. і частинки, що знаходиться в об'ємі фази, помножена число частинок на поверхні N:

G s = N (g s -g v)
Під поверхневою енергієюрозуміється енергія Гіббса (Gs) – утворення поверхні. Вона дорівнює добутку питомої поверхневої енергії σ на площу поверхні розділу фаз S:

Питома поверхнева енергія (Дж/м 2) дорівнює роботі, яка потрібна на утворення одиниці площі вільної поверхні. Питома поверхнева енергія визначається природою тієї чи іншої речовини. Що енергія взаємодії між частинками речовини, то вище питома поверхнева енергія. Зі збільшенням температури питома поверхнева енергія зменшується. Поблизу критичної температури поверхневий натяг дорівнює нулю.

Термін "поверхнева енергія" застосовується до межі розділу газ - тверде тіло. Для межі розділу конденсованих фаз (рідина – рідина, рідина – тверда речовина) застосовують термін міжфазна енергія. Для межі розділу фаз рідина – газ (пар) зазвичай використовують термін питома поверхнева енергія, яка називається поверхневим натягом.

Поверхневий натяг σ− найважливіша термодинамічна характеристика поверхні розділу фаз, яка визначається як робота оборотного ізотермічного утворення одиниці площі цієї поверхні. У разі рідкої поверхні розділу поверхневий натяг правомірно також розглядати як роботу, необхідну збільшення одиниці довжини контуру вільної поверхні:

де ΔL – збільшення довжини контуру вільної поверхні, м;

σ – поверхневий натяг, н/м.

Завдяки поверхневому натягу рідина за відсутності зовнішніх силових впливів набуває форми кулі, що відповідає мінімальній величині поверхні і, отже, найменшому значенню вільної поверхневої енергії. Одним із шляхів зниження вільної поверхневої енергії є сорбція.

Сорбція(від лат. Sorbeo – поглинаю) − поглинання твердим тілом або рідиною речовини з навколишнього середовища. Поглинаюче тіло називається сорбентом, поглинається ним речовина - сорбатом (або сорбтивом). Розрізняють поглинання речовини всією масою рідкого сорбенту. це абсорбція; поверхневим шаром твердого або рідкого сорбенту – це адсорбція.

Абсорбція – поглинання речовин із газової суміші рідинами. У техніці абсорбція зазвичай користується для вилучення із газової суміші будь-якого компонента. Абсорбція покращується з підвищенням тиску та зниженням температури.

Адсорбція – процес концентрування речовини з об'єму фаз на межі їхнього розділу.

Адсорбент - речовина, здатна адсорбувати іншу речовину. Адсорбтив – речовина, яка може адсорбуватись. Адсорбат – адсорбована речовина.

Адсорбція.

Сорбція

Сорбцією(від латинського sorbeo – поглинаю, втягую) називають будь-який процес поглинання однієї речовини ( сорбтиву) іншим ( сорбентом), незалежно від механізму поглинання.

Залежно від механізму сорбції розрізняють адсорбцію, абсорбцію, хемосорбцію та капілярну конденсацію.

Адсорбція

Адсорбціяце процес, що відбувається межі розділу фаз. Він зачіпає лише поверхневі шари, що взаємодіють фаз, і не поширюється на глибинні шари цих фаз.

Адсорбцією називають явище накопичення однієї речовини на поверхні іншої. У загальному випадку адсорбцією називають зміну концентрації речовини на межі розділу фаз.

Абсорбція

Абсорбція, На відміну від адсорбції, це процес захоплюючий не тільки поверхню розділу фаз, але поширюється на весь обсяг сорбенту.

Прикладом процесу абсорбції є розчинення газів рідини.

Хемосорбція

Хемосорбціяназивається поглинання однієї речовини іншою, що супроводжується їх хімічною взаємодією.

Капілярна конденсація

Капілярна конденсація- Зрідження пари в капілярах, щілинах або порах у твердих тілах.

Явище конденсації відрізняється від фізичної адсорбції.

Таким чином, сорбційні процеси різні за їх механізмом. Однак, будь-який сорбційний процес починається з адсорбції на межі дотичних фаз, які можуть бути рідкими, газоподібними або твердими.

Адсорбція

Нагадаємо, що адсорбцієюназивають явище накопичення однієї речовини лежить на поверхні іншого. У загальному випадку, адсорбцієюназивають зміну концентрації речовини межі розділу фаз.

Адсорбціявідбувається на будь-яких міжфазових поверхнях і можуть адсорбуватися будь-які речовини.

Адсорбційна рівновага, тобто. рівноважний розподіл речовини між прикордонним шаром і межами фазами є динамічною рівновагою і швидко встановлюється.

Адсорбціязнижується зі зниженням температури.

Поглинається речовина, що ще перебуває в об'ємі фази, називають адсорбтивом, поглинене - адсорбатом. Речовина, на поверхні якої відбувається адсорбція – адсорбентом.

Адсорбціяє оборотним процесом. Процес, зворотний адсорбції, називається десорбцією.

Видалення адсорбованих речовин з адсорбентів за допомогою розчинників називають елюцією.

Розрізняють молекулярнуі іонну адсорбцію. Це розрізнення відбувається залежно від того, що адсорбується – молекули чи іони речовини.

Адсорбція на поверхні рідин

На поверхні рідин можуть адсорбуватися частинки речовин, розчинених у рідинах. Адсорбціясупроводжує процес розчинення, впливаючи на розподіл частинок розчиненої речовини між поверхневим шаром розчинника та внутрішнім його об'ємом.

Відповідно до другого початку термодинаміки поверхнева енергія рідин прагне до мінімуму. У чистих розчинниках зменшення цієї енергії відбувається шляхом скорочення поверхні.

У розчинах поверхнева енергія може знижуватися або збільшуватися рахунок зміни концентрації частинок в поверхневому шарі рідини.

Гіббсомбуло встановлено, що розподіл речовини, що розчиняється в рідині, відбувається так, щоб досягалося максимальне зменшення поверхневого натягу.

Він же запропонував рівняння, що визначає величину адсорбції Г, тобто надлишку речовини, що накопичується в 1 см 2 поверхневого шару, що має товщину приблизно одну молекулу, в порівнянні з вмістом цієї речовини в такому ж обсязі всередині рідини.

Де Δσ - Зміна поверхневого натягу, що відповідає зміні концентрації ΔС.

Величина Δσ/ΔСназивається поверхневою активністю.

Отже, адсорбція Гзалежить від величини поверхневої активностіі концентрації речовини С.

Якщо при цьому поверхневий натяг зменшується, адсорбція Гмає позитивне значення.

Позитивна адсорбція. Поверхнево активні речовини.

Чим сильніша речовина знижує поверхневий натяг, тим більше воно накопичуватиметься в поверхневому шарі.

Концентрація розчиненої речовини в поверхневому шарі стане значно вищою, ніж у решті обсягу рідини. Різниця концентрацій, що виникає, неминуче викличе дифузію, яка буде спрямована з поверхневого шару всередину рідини і з'явиться перешкодою для повного переходу всіх розчинених частинок в поверхневий шар. Встановиться рухома адсорбційна рівновага між розчиненою речовиною в поверхневому шарі та решті об'єму рідини.

Адсорбцію, що супроводжується накопиченням речовини у поверхневому шаріназивають позитивною. Межею її служить повне насичення поверхневого шару речовиною, що адсорбується.

Позитивно адсорбуючі речовини називають також поверхнево-активними речовинами (ПАР). У водних розчинах роль ПАРов будуть грати речовини з жирною та дифільною природою (жири, більшість жирних кислот, кетони, спирти, холестерин та ін.).

Негативна адсорбція. Поверхнево-інактивні речовини.

Якщо розчинена речовина збільшує поверхневий натяг, воно виштовхуватиметься з поверхневого шару всередину адсорбенту. Таку адсорбцію називають негативною.

Межею негативної адсорбції є повне витіснення адсорбтиву з поверхневого шару всередину адсорбенту (розчинника).

В результаті різниці концентрацій виникне дифузія, яка буде спрямована у поверхневий шар. Тому в поверхневому шарі завжди виявиться деяка кількість адсорбтиву.

Речовини, що різко підвищують поверхневий натяг, майже не містяться в поверхневому шарі розбавлених розчинів. Лише значне збільшення концентрації подібних розчинів призводить до переміщення поверхневий шар помітних кількостей розчиненої речовини, що супроводжується збільшенням поверхневого натягу.

Негативно адсорбуються речовини називаються поверхнево-інактивними.

Адсорбція та поверхневий натяг біологічних рідин

Негативна і позитивна адсорбція різних речовин у крові та протоплазмі клітин має велике значення для обміну речовину живих організмах.

Поверхневий натяг біологічних рідин значно нижченіж води. Тому гідрофобні речовини, наприклад кислоти жирного ряду, стероїди, накопичуватимуться. у стінок судин, клітинних мембранщо полегшує їх проникнення крізь ці мембрани.

Для адсорбції з водних розчинів велике значення має наявність у полярних молекул ( гідрофільних) та неполярних ( гідрофобних) груп.

Так, у молекулі олійної кислоти є полярна група СООНта гідрофобний вуглеводневий ланцюг:

Молекули, що володіють одночасно обома видами груп, називаються дифільними.

У дифільної молекули з коротким гідрофобним ланцюгомпереважають гідрофільні властивостітому такі молекули добре розчиняються у воді, адсорбуючись негативно.

З подовженням вуглеводневого ланцюга посилюються гідрофобні властивості молекулі знижується їх розчинність у питній воді.

Отже, до поверхнево-активних речовин належать речовини дифільної структури, що мають менше, ніж розчинник, поверхневий натяг і розчинення яких призводить до позитивної адсорбції, викликаючи зниження поверхневого натягу.

Поверхнево-інактивні речовини мають протилежні властивості.

Поруч із збільшенням гидрофобных властивостей молекул підвищується їх поверхнева активність. Так подовження ланцюга в гомологічному ряду жирних кислот, спиртів, амінів та ін. -СН2-збільшує їх здатність до позитивної адсорбції в розведених розчинах 3,2 рази(Правило Траубе-Дюкло).

Молекули речовин з переважанням гідрофобних властивостей (жирні кислоти з великою молекулярною вагою та ін) розташовуються в основному на поверхні води, утворюючи поверхневі плівки.

При невеликій кількості таких молекул поверхневої плівки не утворюється. Якщо молекул багато, то вони розташовуються впорядковано, одна поруч з іншою, причому їх гідрофобні частини виступають над водною поверхнею, утворюючи так званий частокіл Ленгмюра.

1 - безладне розташування дифільних молекул;
2 - частокіл Ленгмюра;
3 – надлишок молекул;
4 - гідрофільна частина молекул;
5 - гідрофобна частина молекул;

Поверхнева плівкаутворюється мономолекулярним шаром молекул, кожна з яких займає на поверхні води певну площу. Товщину шару і площу, яку займає кожна молекула, можна розрахувати.

Так, молекули жирних кислот, що мають по одній полярній групі (масляна, валеріанова, капринова кислоти і т.п.) займають на поверхні води площу
21 · 10 -16 см 2незалежно від довжини вуглеводневого ланцюга.

Жирні кислоти з двома полярними групами (наприклад, олеїнова кислота) займає площу, вдвічі більшу, а молекули з трьома полярними групами (наприклад, тристеарин) – утричі більшу площу тощо.

При надлишку речовини переважно гідрофобними властивостями його молекули розташовуються над молекулярної плівкою.

Кесонна хвороба

Утворення поверхневих плівок нерідко ускладнює процес фільтрації.

На межі розділу повітря-вода в бульбашках повітря, що знаходяться в розчині, може адсорбуватися поверхнево-активна речовина. Плівка цієї речовини утворює як би оболонку навколо бульбашки. Така бульбашка при продавлюванні через вузькі пори у фільтрі не здатна різко деформуватися і тому може закупорити більші отвори у фільтрі, ніж бульбашка без плівки.

У водолазів, що працюють на великих глибинах, іноді виникає так звана, кесонна хвороба. У їх скафандри повітря подається під тиском і, отже, у крові водолазів розчиняється підвищена кількість газів.

При надто швидкому піднятті на поверхню тиск у скафандрах різко знижується, і значна частина газів крові виділяється у вигляді бульбашок, на яких утворюється поверхнева плівка з поверхнево-активних речовин, що містяться в крові.

Бульбашки газів закупорюють дрібні судиниу різних тканинах та органах, що призводить до тяжкого захворювання або навіть загибелі людини.

Така ж патологія може виникнути і в результаті різкого падіння атмосферного тиску при розгерметизації скафандрів льотчиків і кабін літаків при висотних польотах.

Для лікування кесонної хвороби хворого поміщають у барокамеру, де утворюють великий тиск. Бульбашки газів знову розчиняються в крові. Протягом кількох діб тиск у барокамері повільно знижують. За цей час надлишковий газ із крові так само повільно видаляється через легені, не створюючи закупорок.

Адсорбція твердими тілами

Твердими тілами можуть адсорбуватися гази та пари, а також молекули та іони розчинених речовин.

Природа сил, які викликають адсорбцію

Адсорбція на твердих тілах може бути пояснена наявністю силових полів тяжіння, що виникають за рахунок неврівноважених зв'язків у кристалічній решітці.

На ділянках твердого адсорбенту (на активних центрах) адсорбція йде особливо сильно. Так виступина частинці вугілля в 4,5 разиінтенсивніше адсорбують кисень, чим поглибленняна його поверхні.

Адсорбційні сили складаються з валентних сил взаємодії(хімічних) та слабших ван-дер-ваальсових(фізичних). Роль тих та інших за різних випадків адсорбції різна. Так, на початку адсорбції більшості газів, коли їх тиск мало, спостерігається хімічна адсорбція. Зі збільшенням тиску вона поступається місцем фізичної, яка в основному визначає адсорбцію газів.

Адсорбційні сили можуть бути досить великими. Так, для повного видалення зі скла адсорбованих молекул води необхідно сильно нагрівати у вакуумі.

Адсорбенти, що мають потужні силові поля, виявляються суцільно покритими адсорбованими частинками. При незначних адсорбційних силах тільки більш активні центри покриваються адсорбируемыми частинками.

На адсорбцію впливає як природа адсорбенту, а й адсорбтиву. Так було на твердих адсорбентах сильніше адсорбуються ті гази, які легше зріджуються, тобто. критична температура яких вища.

Оборотність адсорбції

Адсорбціяявляє собою оборотний процес. Адсорбовані частинки не залишаються нерухомими. Вони утримуються на адсорбенті всього соті і тисячні частки секунди, десорбируясь, заміщаються нові частки. До того ж вони не є строго фіксованими на адсорбенті, а можуть переміщатися його поверхнею. У результаті встановлюється динамічна адсорбційна рівновагаміж вільними та адсорбованими частинками.

Швидкість адсорбції

Швидкість адсорбції має значення для практичного використання різних адсорбентів.

Наприклад, у протигазі повітря, що проходить через коробку, має дуже швидко очищатися від домішок отруйних речовин, що можливо лише при високих швидкостях адсорбційних процесів.

Необхідно вказати, що активоване вугілля у протигазі відіграє роль не тільки адсорбенту ряду отруйних речовин, а й каталізатора реакцій розкладання деяких з них.

Зокрема, активоване вугілля каталізує гідроліз фосгену:

COCl2 + H2 O = HCl + CO2.

Підвищення температуризнижує фізичну адсорбцію адсорбцію, оскільки у своїй посилюється рух молекул в адсорбційному шарі, порушується орієнтація адсорбованих молекул, тобто. збільшується десорбція.

З іншого боку, збільшення температури збільшує енергію адсорбованих частинок, що посилює хімічну адсорбцію.

Отже, в одних випадках підвищення температури посилює десорбцію, в інших збільшує адсорбцію.

Так, для більшості газів підвищення температури зменшує адсорбцію. У той самий час підвищення температури від –185 до +20°З 10 разів збільшує адсорбцію кисню платиною, оскільки у своїй зростає хімічна адсорбція.

Підвищення тискугазів та пар збільшує адсорбцію.

Капілярна конденсація

При адсорбції парів спостерігають так звану капілярну конденсацію, що протікає на вугіллі та інших пористих адсорбентах

Сконденсована в капілярах рідина утворює увігнутий меніск, над яким пара виявляється насиченою при нижчому тиску, ніж над плоскою поверхнею. Це підвищує конденсацію парів у капілярах адсорбенту.

Капілярна конденсація особливо виражена у газів, що легко стискаються.

Хемосорбція

При хемосорбції речовина вступає з адсорбентом у хімічну реакцію, наприклад:

O2 + 2Cu = 2CuO.

Якщо знову утворюються при хемосорбціїмолекули дифундують углиб речовини адсорбенту, то досягнення сорбційної рівноваги настає повільніше, оскільки воно залежить від швидкості дифузії.

Якщо ж при хемосорбціїлежить на поверхні сорбенту виникають недиффундирующие молекули, тобто. утворюється плівка, вона гальмує і з часом зупиняє процес хемосорбції.

Так, пластинка алюмінію, сорбуючи кисень, покривається плівкою з оксиду оалюмінію, що швидко припиняє процес хемосорбції:

4Al + 3O2 = 2Al2 O3.

Хемосорбція, як і будь-яка хімічна реакція, можливо екзо-або ендотермічної. Отже підвищення температури посилює одні хемосорбційні процеси та послаблює інші.

Повністю розмежувати адсорбцію та хемосорбцію не можна. Зазвичай ці два процеси протікають разом.