Для описания процессов адсорбции из растворов на границе с воздухом используют уравнения (2 видео)

Содержание

Адсорбция на границе водный раствор — воздух
Мицеллообразование
Тестовые задания по поверхностному натяжению и адсорбции
Адсорбция на границе раздела «раствор-газ»
🎬 Видео

Видео:Адсорбция на поверхностях растворовСкачать

Адсорбция на границе водный раствор — воздух

При адсорбции на поверхности раздела водный раствор — воздух (рис. 17.9) активная полярная группа, обнаруживающая большее сходство с полярной фазой 1 (водой), будет втягиваться в воду, тогда как неполярная углеводородная цепь, независимо от полярной части, будет выталкиваться в неполярную фазу 2 (воздух) (рис. 17.9, а). Увеличение количества ПАВ в растворе приводит к заполнению поверхности молекулами ПАВ (рис. 17.9, б).

Взаимодействия между полярными молекулами и полярными частями молекул относятся к гидрофильным, основа которых — электростатические взаимодействия. Взаимодействия между неполярными молекулами и частями неполярных молекул относятся к гидрофобных. Основа гидрофобных взаимодействий — дисперсионные взаимодействия_, определяющиеся флуктуациями электронной плотности атомов, составляющих молекулу, в результате чего формируются мгновенные диполи. В дисперсионные взаимодействия входят и магнитные взаимодействия, возникающие между орбитальными и спиновыми моментами электронов соседних атомов, которые формируются в результате вращения электронов вокруг ядер (орбитальный момент) и вокруг собственной оси (спиновый момент). Дисперсионные взаимодействия возникают между всеми молекулами (полярными и неполярными), однако для неполярных молекул они являются единственными. Силы гидрофильных взаимодействий на порядки больше, чем гидрофобных.

Рис. 17.9. Адсорбция молекул ПАВ на поверхности воды:

а — при малых концентрациях; 6 — при концентрациях, близких критической концентрации мицеллобразования (ККМ)

Природа гидрофобных взаимодействий не только энергетическая, по и энтропийная. Углеводородные цепи, располагающиеся в воде, при выходе из объема водной фазы вызывают значительное повышение энтропии воды (а также всей системы в целом) вследствие уменьшения содержания «упорядоченной» воды.

Зависимость поверхностного натяжения воды от концентрации ПАВ приведена на рис. 17.10. Когда абсорбционный слой насыщен, поверхность воды оказывается полностью покрытой молекулами углеводорода, поверхностное натяжение воды падает до значения поверхностного натяжения предельных углеводородов (σ_v).

Рис. 17.10. Зависимость поверхностного натяжения воды от концентрации ПАВ

Следует знать, что ПАВ характеризуются специфическими особенностями:

1) способностью понижать поверхностное и межфазное натяжение в очень разбавленных растворах вследствие адсорбции и ориентации молекул на поверхности раздела;
2) незначительной величиной максимально возможной концентрации их в растворе в молекулярной форме;
3) образованием мицелл выше определенной так называемой критической концентрации мицеллообразования (ККМ) (см. рис. 17.10);
4) солъюбилизацией (гидрофобным связыванием) водно-нерастворимых веществ внутри мицелл.

Видео:Адсорбция на границе фаз раствор-воздух (лабораторная работа)Скачать

Мицеллообразование

Как и адсорбция, явление мицеллообразования связано с молекулярными взаимодействиями полярных молекул (частей молекул) с гидрофобными сцеплениями углеводородной цепи.

Выше ККМ системы вода — ПАВ представляют собой коллоидные системы.

Молекулы ПАВ являются основными составляющими моющих средств. В области малых концентраций выше ККМ мицеллы мыла достаточно симметричны, сохраняют сфероидальную форму и равномерно покрыты с поверхности гидратированными группами. Это означает, что мицеллы вполне стабилизированы. Их межфазное натяжение — удельная свободная поверхностная энергия на границе с окружающей дисперсионной средой — близко к нулю. Поэтому они не могут взаимодействовать друг с другом, образуя анизометрические цепочки или пространственные сетки. При дальнейшем возрастании концентрации выше некоторого критического значения мицеллы, становясь все более и более асимметричными, вызывают появление ярко выраженной аномалии вязкости.

Строение мицелл в полярном (вода) и неполярном (углеводород) растворителях приведено на рис. 17.11.

Рис. 17.11. Строение мицелл в полярном (а) и неполярном (б) растворителях

Одна из особенностей ПАВ в коллоидных дисперсиях (т.е. при концентрациях водного раствора выше ККМ) состоит в их способности обратимо солъюбилизировать (растворять) углеводороды или вообще гидрофобные вещества, практически нерастворимые в воде, в ядрах мицелл. Солъюбилизация характеризуется равновесным распределением гидрофобного вещества между двумя фазами: истинным водным раствором мылообразных ПАВ и внутренними частями (ядрами) мицелл коллоидной фазы. Явление солъюбилизации определяет моющие свойства мыл — способность удалять с поверхностей гидрофобные вещества, нерастворимые в чистой воде.

Белковые вещества, существенно отличаясь по своей химической природе от обычных мыл и являясь высокомолекулярными соединениями, имеют с мылами общее свойство — они обладают поверхностной активностью, а вследствие этого — и солъюбирующей способностью. Явление солъюбилизации в белковых системах представляет большой интерес как с точки зрения строения белка, так и в отношении изучения биологически важных процессов переноса и обмена веществ в организме. Солъюбилизация углеводородов в растворах белков, как и в случае мицеллярных растворов мыл, связана с проникновением углеводородов в неполярные ядра белковых структур. Процесс солъюбилизации является составной частью ферментативного катализа. Биологические катализаторы белковой природы (ферменты) имеют гидрофобные «карманы», которые обычно являются активными центрами ферментов, где происходят химические реакции. Благодаря явлению солъюбилизации субстраты этих реакций «затягиваются» в активные центры и упорядочиваются оптимальным для реакции образом.

В связи с исследованием сложных биологических мембран, их свойств и функций особый интерес представляет поведение глобулярных белков на границе раздела фаз. Белки, являясь поверхностно-активными веществами, адсорбируются на поверхности раздела различных твердых и жидких фаз. При адсорбции они ориентируются неполярными группами к менее полярной фазе, а полярными группами — к воде. Формирование адсорбционного слоя высокомолекулярных соединений протекает во времени, в отличие от низкомолекулярных ПАВ, для которых образование равновесного слоя происходит практически мгновенно. Временная зависимость формирования адсорбционного слоя и возникновение прочного межфазного слоя из высокомолекулярных соединений обусловлены замедленной диффузией адсорбирующихся макромолекул и медленной ориентацией их на границе раздела фаз. Также отличие адсорбции высокомолекулярных соединений от низкомолекулярных ПАВ заключается в следующем: адсорбция низкомолекулярных ПАВ полностью обратима, а высокомолекулярных — необратима. Высокомолекулярные вещества после определенного промежутка времени образуют пленки на поверхности водного раствора. Вместе с тем, некоторые сегменты высокомолекулярных белков на поверхности могут оставаться подвижными.

Видео:5.1. Адсорбция. Классификация адсорбцииСкачать

Тестовые задания по поверхностному натяжению и адсорбции

1. Выберите один правильный ответ. По интенсивности молекулярного взаимодействия на границе раздела фаз лиофильные системы отличаются _ взаимодействием между дисперсной фазой и

1) слабым 2) средним
3) сильным 4) молекулярно — кинетическим
2. Выберите один правильный ответ. По интенсивности молекулярного взаимодействия на границе раздела фаз лиофобные системы отличаются_взаимодействием между дисперсной фазой и дисперсионной средой
1) слабым 2) сильным
3) средним по энергии 4) молекулярно- кинетическим
3. Выберите правильные ответы. Укажите межфазные поверхности, в которых проявляются поверхностные явления:
1) жидкость — газ 2) твердое — жидкость
3) жидкость — жидкость 4) газ — газ
5) твердое — твердое 6) газ — твердое
4. Выберите один правильный ответ. Поверхностная энергия, которой обладают объекты коллоидной химии, представляет собой
1) произведение поверхностного натяжения и температуры
2) произведение поверхностного натяжения и площади межфазной поверхности
3) произведение поверхностного натяжения и давления
4) отношение поверхностного натяжения к площади межфазной поверхности
5. Выберите один правильный ответ. Поверхностное натяжение — это частная производная от термодинамического потенциала (энергии Гиббса, энергии Гельмгольца)
1) по числу молей дисперсной фазы
2) по температуре
3) по площади межфазной поверхности
4) по давлению
6. Выберите правильные ответы. Единицы измерения величины поверхностного натяжения
1) Н / м 2 2) Дж 3) Дж / м 2
4) Дж / моль 5) Н / м
7. Укажите последовательность. Расположите вещества в порядке возрастания их поверхностного натяжения на границе с воздухом:
1) бензол 2)этанол 3)вода
4) ртуть 5) железо
8. Выберите правильные ответы. Укажите верные сравнения поверхностных натяжений ( >G вода 4) С вода >G изопропанол

9. Выберите один правильный ответ. Поверхностно-активные вещества (ПАВ) — это вещества, добавление которых
1) уменьшает поверхностное натяжение
2) увеличивает поверхностное натяжение
3) увеличивает поверхностную активность
4) уменьшает поверхностную активность
10. Выберите один правильный ответ. Поверхностно- инактив-

ные вещества — это вещества, добавление которых_

1) увеличивает поверхностную активность
2) уменьшает поверхностное натяжение
3) увеличивает поверхностное натяжение
4) уменьшает поверхностную активность
11. Выберите правильные ответы. Какие из указанных веществ относятся к поверхностно-активным веществам?
1)С₄Н₉ОН 2) НС1 3) C₁₇H₃₅COONa
4) BaS0₄ 5) КОН 6)С_бН₁₂0₆
12. Выберите правильные ответы. Какие из указанных веществ относятся к поверхностно-инактивным веществам?
1) НС1 2) С₃Н₇ОН 3)H₂S0₄
4) C₁₈H₃₇COONa 5)NaOH 6)С₆Н₁₂0₆
13. Выберите один правильный ответ. В водном растворе вещество, поверхностное натяжение которого меньше, чем у воды, преимущественно находится_
1) во всем объеме раствора 2) у стенок сосуда
3) в поверхностном слое 4) на дне сосуда
14. Выберите один правильный ответ. Изотерма поверхностного натяжения — это зависимость поверхностного натяжения от_
1) концентрации растворенного вещества
2) температуры
3) давления
4) площади межфазной поверхности
15. Выберите один правильный ответ. Адсорбция — это_
1) процесс самопроизвольного перераспределения компонентов между поверхностным слоем и объемом фазы
2) процесс самопроизвольного перераспределения компонентов внутри отдельной фазы
3) процесс самопроизвольного перераспределения компонентов между двумя фазами

4) процесс взаимодействия между поверхностями конденсированных фаз
16. Выберите один правильный ответ. Адсорбция сопровождается _концентрации вещества на поверхности раздела фаз
1) выравниванием 2) уменьшением
3) увеличением 4) постоянством
17. Выберите правильные ответы. Выберите количественные характеристики адсорбции
1) моль/см 2 2) моль /л 3) моль/г
4) г/л 5) моль/м
18. Выберите один правильный ответ. При физической адсорбции поверхностное натяжение_
1) уменьшается 2) не меняется 3) повышается
19. Выберите один правильный ответ. Повышение температуры

при физической адсорбции газов и паров_

1) ведет к росту адсорбции
2) не влияет на величину адсорбции
3) ведет к уменьшению адсорбции
20. Выберите один правильный ответ. Адсорбентом называют:
1) более конденсированную фазу адсорбционной системы
2) адсорбирующееся вещество
3) менее конденсированную фазу адсорбционной системы
21. Выберите один правильный ответ. Адсорбатом (адсорбти-

1) адсорбирующееся вещество
2) более конденсированную фазу адсорбционной системы
3) менее конденсированную фазу адсорбционной системы
4) поверхность, на которой происходит адсорбция
22. Выберите один правильный ответ. Изотерма адсорбции

представляет собой зависимость адсорбции Г от_(где с — равновесная концентрация; Г — температура; р — давление)

1) Г = f (Т) 2) Г = f (с) 3) Г = f (р)
23. Выберите правильные ответы. Для описания процессов адсорбции из растворов на границе с воздухом используют уравнения
1) Гиббса 2) Ван-дер- Ваальса
3) Ленгмюра 4) Эйнштейна
5) Юнга 6) Г ельмгольца — Смолуховского
24. Выберите правильные ответы. Для описания процессов адсорбции газов и паров на твердых адсорбентах используют уравнения

1) Фрейндлиха 2) Шишковского
3) БЭТ 4) Юнга
5) Ленгмюра 6) Г ельмгольца-Смолуховского
25. Выберите один правильный ответ. Приведенное уравнение является уравнением изотермы адсорбции Гиббса
1) г_ с ( дс ] 2) Г = (3-с 1/п 3) Г=Г • Ь ‘ С

26. Выберите один правильный ответ. Приведенное уравнение является уравнением изотермы адсорбции Ленгмюра
1)г = -— ?[ — 2) Г = —3) Г = р с 1 ‘»

27. Выберите один правильный ответ. Приведенное уравнение является уравнением изотермы адсорбции Фрейндлиха
1) Г = р-с 1/п 2)г = ——?( — ) 3)Г=Г—^+-

28. Выберите один правильный ответ. Лучше адсорбируют поверхностно-активные вещества из водных растворов_соединения
(адсорбенты)
1) любые неорганические 2) гидрофильные
3) гидрофобные 4) любые органические
29. Выберите один правильный ответ. Лучше адсорбируют поверхностно-активные вещества из углеводородных растворов _

Видео:5.2. Молекулярная адсорбция ПАВ на поверхности раздела раствор-воздухСкачать

Адсорбция на границе раздела «раствор-газ»

Растворенные вещества в зависимости от их природы могут адсорбироваться (концентрироваться) на поверхности раствора или переходить в объем раствора, что приводит к изменению поверхностного натяжения жидкости.

Возможны три варианта влияния растворенного вещества на поверхностное натяжение растворителя:

1) растворенное вещество понижает поверхностное натяжение ( ₀);
3) растворенное вещество не изменяет поверхностного натяжения растворителя (=₀).

Вещества, которые уменьшают поверхностное натяжение растворителя, называются поверхностно-активными (ПАВ). Вещества, увеличивающие поверхностное натяжение или его не изменяющие, называются поверхностно-инактивными (ПИВ). Это деление условно, так как одни и те же вещества по отношению к одним растворителям являются ПАВ, по отношению к другим — ПИВ. Например, ацетат натрия по отношению к воде — ПАВ, а по отношению к этилацетату — ПИВ.

ПИВ относительно воды являются многие органические соединения — жирные кислоты, их соли, спирты, амины. Характерной особенностью строения молекул ПАВ является их дифильность.

Величина адсорбции А на границе раствор — газ определяется как количество адсорбированного вещества в поверхностном слое по сравнению с количеством вещества в таком же по толщине слое объемной фазы. Между избытком адсорбированного вещества в поверхностном слое и концентрацией его в растворе (С) существует математическая зависимость, установленная Гиббсом и известная как уравнение адсорбции Гиббса:

А = — C / RT d / dC (5.3)

Отношение d / dC называется поверхностной активностью. Для ПАВ d / dC 0, для ПИВ d / dC > 0 и А 1/n , (5.4)

где X — количество адсорбированного газа,

m — масса адсорбента,

р — равновесное давление газа,

К и 1/n — постоянные.

Уравнение Фрейндлиха применимо для интервала давлений, в котором изотерма имеет вид кривой (участок 2). Оно не применимо для описания адсорбции при очень малых и больших давлениях, когда изотерма адсорбции прямолинейна.

Изотермы адсорбции растворенных веществ из растворов аналогичны адсорбционным изотермам для газов и для разбавленных растворов, хорошо подчиняются уравнениям Фрейндлйха и Ленгмюра, если в них поставить равновесную концентрацию (С) растворенного вещества в растворе. Однако адсорбция из растворов более сложное явление по сравнению с газовой адсорбцией, потому что наряду с адсорбцией растворенного вещества на поверхности адсорбента может происходить адсорбция растворителя. В результате этого между адсорбентом и растворителем происходит конкуренция за «обладание адсорбентом» и чем хуже адсорбируется растворитель, тем лучше адсорбируется растворенное вещество. Поэтому часто обычная изотерма адсорбции искажается. Все адсорбенты можно разбить на два основных типа: гидрофильные, хорошо смачивающиеся водой, и гидрофобные, которые смачиваются органическими жидкостями. К гидрофильным относятся: силикагель, глины, пористые стекла, осадочные горные породы — диатомит (кизельгур), трепел. Эти адсорбенты целесообразно использовать для адсорбции из неводных растворов, например, для очистки сиропов, масел, нефтепродуктов, при очистке жиров от свободных жирных кислот, смолистых и красящих веществ. Гидрофобные адсорбенты — активированный уголь, графит, тальк — хорошо адсорбируют вещества из водных растворов. Их используют в спиртовом производстве для удаления сивушных масел. В сахарной и крахмалопаточной промышленности углем обесцвечивают сахарные и глюкозные сиропы.

Адсорбция вещества из раствора идет медленнее адсорбции газа, так как уменьшение концентрации в граничном слое может восполняться только путем диффузии растворенного вещества в поры адсорбента, что осуществляется довольно медленно. Для ускорения установления адсорбционного равновесия часто применяют перемешивающиеся системы. На адсорбцию влияет также способность растворителя растворять адсорбтив: чем лучше растворяется адсорбтив, тем хуже идет адсорбция из раствора. С повышением температуры адсорбция обычно уменьшается, однако не так сильно, как адсорбция газов, но иногда, когда температурный коэффициент растворимости вещества отрицательный, адсорбция увеличивается.

Адсорбция зависит и от строения молекул адсорбтива. Дифильные молекулы растворенного вещества при адсорбции на твердом адсорбенте ориентируются на его поверхности так, чтобы полярная часть молекулы была обращена к полярной фазе, а неполярная — к неполярной.

Сильные электролиты в водных растворах практически полностью диссоциированы на ионы, и, как правило, на твердом адсорбенте из раствора адсорбируются преимущественно ионы одного вида.

Преимущественная адсорбция из раствора или катиона или аниона зависит от природы ионов — их заряда, радиуса и степени гидратации. Чем больше заряд иона, тем лучше он адсорбируется. Из ионов с одинаковым зарядом лучше адсорбируется ион, имеющий наибольший радиус, так как он имеет наименьшую степень гидратации. Гидратная оболочка препятствует адсорбции, поэтому, чем меньше степень гидратации, тем ион лучше адсорбируется.

Правило Фаянса-Панетта. На поверхности кристалличес-кого твердого тела из раствора адсорбируется тот из ионов, который входит в состав кристаллической решетки или мо-жет образовывать с одним из ионов решетки малораство-римое соединение.