Адсорбция на твердых адсорбентах (твердое вещество-жидкость, твердое вещество-газ).

О поверхностной энергии твердых сорбентов судят по величине адсорбции, которая равна:

A=((С₀-С)V)/m, где:

С₀ - начальная концентрация адсорбата, моль·дм^-3;

С - равновесная концентрация адсорбата, моль·дм^-3;

V - объем раствора, дм³;

m - масса адсорбента, г.

Твердые сорбенты можно разделить на:

ü гидрофильные - хорошо смачиваются водой (глины, силикагели);

ü гидрофобные - не смачиваемые водой (угли, тальк, парафин).

На неполярных адсорбентах лучше адсорбируются неполярные адсорбаты, а на полярных - полярные. Поверхность твердого адсорбента неоднородна за счет трещин, царапин, выступов и т.д. На практике стараются получать сорбенты с большей поверхностью. Пористый адсорбент избирательно поглощает адсорбат, у которого размеры частиц меньше размеров пор адсорбента. Сорбенты с размерами пор от 2 до 200 нм (активированный уголь в гранулах) используются в медицине для очистки крови от токсических веществ - гемосорбенты, гемосорбция. В медицинской практике этот метод применяется при почечной и печеночной недостаточности, при перитонитах, сильных отравлениях снотворными и нейролептиками, при отравлении фосфорорганическими соединениями.

Электролитная адсорбция.

Электролитная адсорбция - это адсорбция ионов из раствора электролита на полярном адсорбенте.

Адсорбция ионов носит обменный характер и отличается высокой избирательностью. Она состоит в накоплении на твердом адсорбенте либо катионов, либо анионов. На избирательность оказывает влияние природа адсорбента, природа адсорбируемых ионов (заряд, радиус, степень гидратации), рН среды. Электролитная адсорбция подчиняется следующим правилам, отражающим ее избирательный характер:

1) Правило Пескова-Фаянса: на поверхности кристаллического твердого адсорбента из раствора адсорбируется тот из ионов, который входит в состав кристаллической решетки или может образовывать с одним из ионов кристаллической решетки малорастворимое соединение.

Пр.: адсорбент - AgCl (тв.); адсорбаты – SO₄^2-, NO₃^-, Cl^-; адсорбироваться будут анионы хлора. За счет адсорбции кристаллическая решетка достраивается.

2) Правило изоморфизма: на полярном адсорбенте из раствора электролита адсорбируются преимущественно ионы, близкие по размерам и строению одному из ионов кристаллической решетки адсорбента.

Пр.: адсорбент - AgCl (тв.); адсорбаты – SO₄^2-, NO₃^-, Br^-; адсорбироваться будут анионы брома.

3) Если ионы адсорбата имеют одинаковые по величине и знаку степени окисления, то в первую очередь адсорбируются менее гидратированные ионы (чем больше радиус ионов, тем меньше степень гидратации ионов и наоборот).

Пр.: из катионов первой группы лучше всего адсорбируются ионы цезия, хуже лития. Тогда для катионов первой группы можно составить следующий лиотропный ряд: Cs⁺>Rb⁺>K⁺>Na⁺>Li⁺.

Из анионов: SCN^->I^->Br^->Cl^-.

4) Если ионы адсорбаты одинаковы по знаку и разные по степени окисления, то в первую очередь адсорбируются ионы с большей степенью окисления.

Пр.: Th⁴⁺>Fe³⁺>Ca²⁺>Na⁺.

Ионообменная адсорбция.

Электролитная адсорбция может быть обратимой и не обратимой. При необратимой адсорбат и адсорбент образуют нерастворимые химические соединения. При обратимой адсорбции ионы на поверхности адсорбента закреплены слабо и способны обмениваться с ионами из раствора. Такая электролитная адсорбция называется ионообменной.

Адсорбенты, участвующие в ионообменной адсорбции - иониты. Среди них имеются природные иониты (глины, апатиты) и синтетические (ионообменные смолы, сульфированный уголь).

Основа ионита – матрица - R, которая не участвует в ионообменной адсорбции. На матрице закреплены либо ионы H⁺, Na⁺, K⁺, OH^-, Cl^-, либо ионогенные группы COOH, SH, NH₂. В общем виде формулу ионита можно записать так:

R-H, R-OH, R-Na.

В зависимости от природы ионов, вступающих в реакцию, иониты делятся на:

1) катиониты - обмениваются с растворами только катионами;

Пр.: 2R-Na+Ca²⁺=R₂Ca+2Na⁺

2) аниониты - обмениваются с растворами только анионами;

Пр.: 2R-OH+SO₄^2-=R₂SO₄+2OH^-

3) амфолиты - обмениваются с растворами и катионами и анионами.

Ионообменная адсорбция подчиняется следующим правилам:

1. Закону эквивалентов,

2. Всем четырем правилам электролитной адсорбции,

3. Принципу Ле-Шателье, что позволяет регенерировать иониты.

Способность ионитов к обмену характеризуется ионно-обменной емкостью, Е, которая показывает, сколько миллиэквивалентов ионов, содержащихся в 1 грамме сухого или набухшего ионита, способны вступать в реакцию обмена с ионами в растворе.

E=((C₀-C)V)/m, где:

С₀ - начальная концентрация адсорбата, моль·дм^-3;

С - равновесная концентрация адсорбата, моль·дм^-3;

V - объем раствора, дм³;

m - масса сухого или набухшего ионита, г.

В медицине ионообменные смолы применяются для декальцинирования крови при ее консервации.

Жидкие ионообменные смолы на основе поливинилового спирта являются эффективными пролонгаторами лекарственных соединений.

Широкое применение иониты находят в фармации при получении и очистке лекарств и биологически активных веществ – витаминов, гормонов и т.д. Иониты применяются также для очистки воды и выделения радиоактивных изотопов.