Практическое использование адсорбции

Явление адсорбции широко используется в хроматографии, для хроматографического разделения различных веществ, в промышленных методах очистки газов и растворов, а также осушки газов. Наиболее широко используются в качестве адсорбентов активные (активированные) угли, цеолиты, силикагель.

Активные угли приготавливают специальной обработкой каменного и древесного угля. Получают пористые крупнозернистые порошки с удельной поверхностью 200 – 450 м²/г. Активные угли применяют, например, для улавливания оксидов серы, азота, выбрасываемых предприятиями цветной металлургии, для очистки воздуха помещений промышленных предприятий от сероуглерода, сероводорода, ацетона, бензола и других вредных веществ.

Кроме активного угля используют также углеродистые волокнистые адсорбенты. Их получают высокотемпературной обработкой природных и синтетических волокон в среде водяного пара или СО₂ при 600 – 1000 ⁰С. Углеродистые волокнистые адсорбенты имеют удельную поверхность 500 – 2000 м²/г. Такие адсорбенты используются для изготовления средств индивидуальной защиты органов дыхания. Они нашли широкое применение в медицине для очистки крови и других биологических жидкостей, а также в повязках при лечении ран и ожогов. В качестве лекарственного средства этот адсорбент используется при отравлениях (поглотитель ядов).

Цеолиты – специально прогретые белые, иногда бесцветные порошки алюмосиликатов, являются молекулярными ситами – микропористыми материалами, способными избирательно поглощать вещества, размеры молекул которых меньше размеров микропор. Цеолиты используют в промышленности для выделения и очистки химических соединений.

Для получения синтетических цеолитов алюмосиликатные горные породы быстро нагревают при высокой температуре, в результате чего алюмосиликаты превращаются в пузырчатый материал, насыщенный микропорами. Природные и синтетические цеолиты способны избирательно поглощать вещества. Благодаря такому свойству в зону адсорбционной полости попадает только определенный сорт молекул.

Порошки силикагеля (аморфная форма оксида кремния) имеют удельную поверхность 5 – 800 м²/г. Силикагель как адсорбент применяют для осушки газов и органических жидкостей от влаги. Бумажные пакетики с силикагелем можно обнаружить в упаковке бытовых приборов. Они положены туда с целью защиты приборов от сырости.

Ионообменные смолы используют для умягчения воды, используемой в теплоснабжении. Известно, что растворимые в воде соли Ca(НСО₃^-)₂ и Mg(НСО₃^-)₂ при нагревании распадаются с образованием нерастворимых в воде осадков CaСО₃ и MgСО₃, покрывающих внутренние стенки котлов и трубопроводов. Прежде, чем использовать жесткую воду в качестве теплоносителя, её с помощью ионообменных смол освобождают от ионов Ca²⁺ и Mg²⁺.

 

Краткий итог темы

1. Любое конденсированное тело содержит в поверхностном слое микрочастицы, равнодействующая сил межмолекулярного (ионного) взаимодействия которых направлена внутрь тела, что создает поверхностное натяжение.

2. Следствием межмолекулярного взаимодействия на поверхности раздела фаз являются такие процессы, как смачивание, адгезия и адсорбция.

3. Для проявления смачиваниянеобходимо, чтобы жидкость вступала во взаимодействие с твердым телом в присутствии газа или другой жидкости, которая не смешивается с первой.

4. Явление адгезии (прилипания) наблюдается в случае, когда между телами реализуется преимущественно ван-дер-ваальсово взаимодействие или водородные связи. Два тела прилипают при контакте поверхностями в результате уменьшения энергии поверхностного натяжения.

5. Физическая адсорбция – процесс концентрирования вещества на поверхности, который осуществляется под действием сил Ван дер Вальса или в результате образования водородных связей.

6. Химическая адсорбция отличается от физической адсорбции необратимостью вследствие того, что адсорбат участвует в химической реакции с активными центрами поверхностного слоя адсорбента.

7. Ионная адсорбция происходит в результате обратимого ионного обмена.

 

Термины для запоминания

Адгезив – тело, которое прилипает.

Адгезия – это прилипание находящихся в контакте поверхностей разной природы.

Адсорбат – адсорбированное вещество.

Адсорбентом называется тело, на поверхности которого происходит концентрирование вещества из объема.

Адсорбтивом называется вещество, которое находится в объеме жидкой или газовой фазы, способное адсорбироваться на поверхности.

Адсорбция – концентрирование вещества на поверхности раздела фаз.

Активные (активированные) угли приготавливают специальной обработкой каменного и древесного угля. Получают пористые крупнозернистые порошки с удельной поверхностью 200 – 450 м²/г.

Волокнистые углеродистые адсорбенты имеют удельную поверхность 500 – 2000 м²/г. Используются для изготовления средств индивидуальной защиты органов дыхания.

Ионообменная адсорбция – обратимый процесс стехиометрического обмена ионами между ионообменной смолой и раствором электролита.

Поверхностно-активное вещество (ПАВ) – это химическое соединение, структура которого включает неполярную углеводородную цепь (например, такую группу, как СН₃(СН₂)_nСН₂-), соединенную с полярной группой, например такой, как -СООNa.

Поверхностное натяжение s определяется количеством энергии в форме работы, приходящегося на изменение единицы площади поверхности дисперсной фазы.

Силикагель (аморфная форма оксида кремния SiO₂) в виде порошка с удельной поверхность 5 – 800 м²/г. применяют как адсорбент для осушки газов и органических жидкостей от влаги.

Смачивание - прилипание (адгезия) жидкости к твердой поверхности.

Субстрат – тело, к которому прилипает адгезив.

Физическая адсорбция – обратимый процесс концентрирования вещества на поверхности, который осуществляется под действием сил Ван дер Ваальса или в результате образования водородных связей.

Химическая адсорбция – необратимая химическая реакция адсорбтива с адсорбентом на поверхности раздела фаз.

Цеолиты – специально прогретые белые, иногда бесцветные порошки алюмосиликатов, являются молекулярными ситами – микропористыми материалами, способными избирательно поглощать вещества, размеры молекул которых меньше размеров микропор.

 

Вопросы для проверки знаний

1. В чем причина нескомпенсированности сил межмолекулярного взаимодействия на границе раздела фаз?

2. Какой физический смысл несет понятие «поверхностное натяжение»?

3. Какие межмолекулярные взаимодействия определяют явления смачивания и адгезии?

4. Справедливо ли утверждение, что «уменьшение поверхностного натяжения, процессы смачивания и прилипания (адгезии) являются самопроизвольными процессами»?

5. Почему поверхностно-активные вещества уменьшают поверхностное натяжение?

6. В чем различие между физической, химической и ионообменной адсорбцией?

7. В чем различие между адсорбентом, адсорбтивом и адсорбатом?

 

Упражнение

1. Докажите, к физической или химической адсорбции относится адсорбционный процесс, сопровождающийся выделением 300 кДж/моль энергии.

 

ТЕМА 3