Поверхностные явления. Адсорбция

1.

Кафедра химии
Тема лекции:
Поверхностные явления.
Адсорбция

2.

Поверхностные явления
А - молекула в
объеме
Б - молекула на
поверхности
В –молекула на
гребне

3.

Поверхностные явления
На поверхностный слой молекул действует сила,
направленная вглубь объема. Она называется
поверхностным натяжением ( ).
Под действием этой силы поверхность раздела
Ж/Гстановится предельно гладкой и сокращается
до минимума. Поверхность жидкости эквипотенциальна в спокойном состоянии.
Любая поверхность имеет избыточную
свободную поверхностную энергию
(СПЭ)

4.

Величины коэффициента
поверхностного натяжения
(Ж/Ж, Ж/Т)
Вещество
103(200С), н/м
Гексан
Масляная кислота
17,2
26,5
Сыворотка крови
46-47
Вода
72,5
Ртуть
Алмаз
480,3
11400 (расчет)

5.

СПЭ в биологии и медицине
Полная альвеолярная поверхность легких
при вдохе равна 70—80 м2, что примерно
в 40 раз больше наружной поверхности
тела.
Суммарная поверхность эритроцитов,
контактирующих со всеми альвеолами в
течение 1 мин – 3750 м2.
В печени суммарная площадь внутренней
митохондриальной мембраны составляет 40м2
на 1 г белка.
Большая удельная поверхность органов и тканей
необходима для активного обмена веществ: он
происходит лишь в том случае, когда уменьшается СПЭ.

6.

Расчет и определение СПЭ
СПЭ σ B
коэффициент
поверхностного
натяжения (Дж/м2 , н/м)
min, B = const
Адсорбция
площадь (м2)
B min, = const
Образование
сферических капель
Укрупнение частиц
(коагуляция)
Идеально гладкая жидкая
поверхность.

7.

Демонстрационный опыт
масляная кислота
26,5
103 н/м
вода
72,5
Гидрофобный хвост
СH3CH2CH2COOH
Гидрофильная
головка
Начальное
состояние
Равновесное
состояние

8.

Основные термины
Адсорбция – самопроизвольный процесс
накопления вещества на поверхности раздела
фаз.
Адсорбент – вещество, на котором происходит
адсорбция.
Вещество, молекулы которого могут
адсорбироваться, называется адсорбтивом, а
уже адсорбированные молекулы – адсорбатом.
Абсорбция – процесс поглощения одного
вещества всем объемом другого, а не только его
поверхностью.
Сорбция – любой процесс поглощения вещества (как адсорбция, так и абсорбция).

9.

Адсорбция
Процесс самопроизвольный
G < 0 S < 0
H < 0
Процесс избирательный
Еактивации мала, Vадсорбции высокая
Первые исследования в области
адсорбции – Т.Е. Ловиц (1757-1804)
Предложил использовать уголь для очистки спирта
от сивушных масел и для дезодорации воздуха.
Поверхность раздела таблетки активированного
угля равна 125 м2

10.

Адсорбция в медицинской практике
Физиотерапевтические процедуры –
ванны, аппликации, обертывания
Энтеросорбция – удаление
ядовитых веществ и газов
из желудочно-кишечного тракта
Гемосорбция – удаление
ядовитых веществ из кровяного русла
Мази, эмульсии, присыпки
при лечении кожных заболеваний

11.

Pасчет адсорбции
(С0 С р )V моль
(С0 С р )V моль
Г
Г
2
B
см
m
кг
Г (гамма) - адсорбция,
С0 – начальная концентрация адсорбтива,
моль/л;
Ср – равновесная концентрация адсорбтива ,
моль/л;
V – объем раствора, л или м3.
B – площадь адсорбента, см2 или м2
m – масса адсорбента, г или кг

12. Уравнения адсорбции

Г = f(природа адсорбента/адсорбтива, С(Р), Т)
Уравнение Гиббса
(универсальное)
Изотермы (T=const) адсорбции для твердых адсорбентов
Уравнение
Лэнгмюра
Уравнение
Фрейндлиха

13.

Уравнение Гиббса
C р d
C р
RT dC
RT C
1. С > 0; > 0
Г < 0 (отрицательная адсорбция)
С адсорбтива
на поверхности
< С адсорбтива в объеме
2. С > 0; < 0
Г > 0 (положительная адсорбция)
С адсорбтива
на поверхности >
С адсорбтива в объеме

14.

Вещества, вызывающие отрицательную
адсорбцию, называются
поверхностно-инактивными веществами
(ПИАВ)
Для воды:
неорганические соединения:
кислоты, основания, соли.
Вещества, вызывающие положительную
адсорбцию, называются
поверхностно-активными веществами (ПАВ)

15. ПАВ

Полярные
органические молекулы
С10 – С18

16.

ПАВ
Анионактивные ПАВ
Мыла
С17Н35СООNa С17Н35СОО- + Na+
Катионактивные ПАВ
Соли аммония и пиридиния
+
роккол
CH2
CH3
Cl
N R
CH3
Неионногенные мыла
C11H21-O-(CH2CH2O)8H

17.

Применение ПАВ в медицине
Моющие средства;
бактерицидные препараты
(катионактивные ПАВ);
эмульгаторы при стабилизации эмульсий
для внутривенного применения;
стабилизаторы лекарственных суспензий;
смачиватели для улучшения растекания
лекарственных форм;
дегазирующие средства.

18.

Моющее действие ПАВ
Грязь попала на руку.
Ее удерживает на коже
сила адсорбции.
Струей воды грязь не
отмыть – она плохо
смачивается водой.

19.

Моющее действие ПАВ
Молекулы мыла
связываются с
поверхностью руки и
грязью.
Раствор мыла
смачивает частицу.

20.

Моющее действие ПАВ
Частица грязи отрывается
от кожи и уносится струей
воды, а мыло,
адсорбирующееся на
поверхности руки легко
смывается водой.

21.

Уравнение Лэнгмюра
Нобелевская премия за работы по теории
поверхностных явлений (1932)
С
Г Г
К С
К дес
К
К адс
Г - предельная адсорбция
Г , К - константы для пары адсорбент-адсорбтив.
Кдес, Кадс - константы скорости процессов адсорбции
и десорбции

22.

Основные положения
1. Адсорбция происходит лишь на
активных центрах поверхности.
Активные центры
адсорбент
адсорбат
2. Адсорбция
мономолекулярна

23.

Основные положения
3. Процесс адсорбции равновесен.
Vадс = Vдес
Г (предельная
адсорбция)
Г (адсорбция)
Г - Г
Общее число активных
центров
занятые активные
центры
свободные активные
центры

24. 1. Адсорбция происходит лишь на активных центрах поверхности.

Изотерма адсорбции
Г
С>>K, тогда Г = Г (III участок)
Г
III
II С = К, то Г = Г С/2C = Г /2
Г
2
I
С<<К, тогда Г = (Г /К)С (I участок)
C=K
I – область малых концентраций,
II – средние концентрации,
III – высокие концентрации.
С
С
Г Г
К С

25. 3. Процесс адсорбции равновесен.

Расчет площади полярной «головки»
молекулы ПАВ
1
S
NaГ
S
Для RCOOH S = 21 10-16 cм2

26. Вывод уравнения Ленгмюра

Уравнение Фрейндлиха
Г(x/m) =
n
aC
Описывает процесс адсорбции на твердой поверхности
a, n – постоянные величины для данной пары
адсорбент-адсорбтив
x
lg lg a n lg c
m
y =
a
+
bx

27.

Определение констант “a” и “n”
lgx/m
C
n = tg = OC/AO
3
2
1
A
lgcр
1
2
3
O
lga

28.

Константы “a” и “n”
(адсорбент - активированный уголь)
Адсорбтив
a
n
Уксусная
кислота
2,99
0,52
Ацетон
5,12
0,52
Бром
23,12
0,34

29.

Обменная адсорбция
Явление замещения на адсорбенте одного
вещества другим, находящимся во внешней
среде.
Ионообменная адсорбция
Некоторые адсорбенты (иониты) обладают
химическими группами, способными в
результате диссоциации замещать свои
ионы на одноименно заряженные ионы,
содержащиеся в растворе.

30.

Иониты
1 – каркас
2 – фиксированный ион
3 – подвижный ион, способный к ионному обмену

31.

Иониты
Катиониты
Z-X Kat+y
Z-X (каркас, с закрепленным анионом)
Kat+y (катионы, способные к ионообмену)
Аниониты
Z+X An-y
Z+X (каркас, с закрепленным катионом)
An-y (анионы, способные к ионообмену)

32.

Иониты
Природные:
Алюмосиликаты (цеолиты, гидрослюда и др.)
Древесина, торф, целлюлоза,
сульфированные угли
Синтетические:
Алюмосиликаты (пермутиты)
Органические ионообменные смолы
ZSO3H, ZCOOH, ZPO(OH)2 (катиониты)
ZNH2, ZN(CH3)2, Z=NH (аниониты)

33.

Цеолиты
Атомы кислорода обозначены голубым, кремния или
алюминия – сиреневым, натрия – красным цветом.

34.

Применение ионитов
Опреснение воды
ZH+катионит + Na+ + Cl- D ZNa+ + H+ + Clкислая регенерация
ZOH-анионит + H+ + Cl- D ZCl- + H2O
щелочная регенерация
Недостатки метода:
- требуется регенерация ионитов