Dintre substanțele enumerate în tabel, proprietățile hidrofile sunt: cuarț, malachit, grafit, talc și hidrofob - parafină și fluoroplastică.
Un număr de fenomene și procese cunoscute sunt explicate prin creșterea capilară a lichidelor. Impregnarea hârtiei și a țesuturilor este cauzată de ridicarea capilară a lichidelor în pori; impermeabilitatea țesuturilor este asigurată de hidrofobicitatea lor și, ca o consecință, de o creștere capilară negativă; Creșterea apei din sol de-a lungul trunchiurilor de plante se datorează structurii fibroase a lemnului; fenomenele capilare sunt cauzate de procesele circulatorii în vasele de sânge; procesele de adsorbție pe sorbenți fin-porosi, care sunt însoțite de condensare capilară. Creșterea apelor adânci în soluri și soluri asigură umiditatea vegetației. Pentru a preveni uscarea solului (evaporarea apei de pe suprafață), se realizează slăbirea (deranjarea) pentru a distruge capilarele și fisurile de-a lungul cărora crește umiditatea.
Un exemplu interesant de manifestări ale presiunii capilare pot servi drept producerea de strângere a forțelor capilare între particule, plachete în prezența unui strat de lichid între ele cu un menisc concav (particule cu lichid de umectare bună).
De exemplu, nisipul uscat este o substanță liberă. Cu o umezire ușoară, nisipul este bine format, deoarece între particule există forțe capilare care strânge particulele. Cu umiditate puternică, nisipul se răspândește, deoarece meniscul dispare între particule, particulele sunt înconjurate pe toate laturile de lichid.
Un alt exemplu de contracție capilară este "lipirea" plăcilor de sticlă între ele, între care se află un strat foarte subțire de apă (o picătură). Astfel de plăci sunt foarte dificil de rupt în afară unul de celălalt.
3. CONCEPTE ȘI CARACTERISTICI DE BAZĂ DE ADSORPȚIE
Concentrarea substanței gazoase sau dizolvate la interfață - pe suprafața unui lichid sau solid - se numește adsorbție.
Adsorbția se datorează prezenței forțelor de adsorbție de natură diferită. Se obișnuiește să se distingă forțele intermoleculare (van der Waals) și chimice (ionice, covalente) de interacțiune dintre atomi și molecule de pe suprafață. O substanță care poate conține (adsorbi) o altă substanță pe suprafața sa, se numește un adsorbant.
Substanța adsorbită se numește adsorbant (uneori adsorbată).
În unele cazuri, absorbția care începe pe suprafață se extinde în adâncimea absorbantului. Un astfel de proces se numește absorbție. Dacă absorbția este însoțită de o interacțiune chimică cu substanța absorbabil substanță - absorbant astfel de procedeu este cunoscut sub numele de chemiosorpție. Un exemplu de chemisorption poate indica absorbția de monoxid de carbon (IV) sau oxid de sulf (IV) var soda (un amestec de NaOH și Ca (OH) 2), care, prin absorbția gazelor interacționează chimic cu ele. Absorbția chimică este practic ireversibilă.
Absorbția fizică apare datorită interacțiunilor van der Waals. Acesta este caracterizat prin reversibilitate bună, absența raporturilor stoichiometrice descrește odată cu creșterea temperaturii de adsorbție, efecte de proximitate la încălziri de adsorbție a vaporizării (tipic 10-80 kJ / mol).
Adsorbția, absorbția și chemisorbția sunt unite de conceptul general de sorbție. Sorpția este denumită și condensare capilară. care constă în absorbția și condensarea gazelor și a vaporilor prin adsorbanți poroși solizi. Cea mai mare valoare este adsorbția.
Studiul adsorbției a început în a doua jumătate a secolului al XVIII-lea cu descoperirea de către cercetătorul german Scheele a adsorbției gazelor de cărbune și a lucrărilor unui chimist rus. care a descoperit și a descris în detaliu absorbția substanțelor colorante din soluții de cărbune. pentru prima dată a sugerat folosirea cărbunelui pe o scară de producție pentru curățarea soluțiilor de impurități nocive (pentru curățarea alcoolului din fuzel, pentru îndepărtarea mirosului de apă potabilă etc.).
Dar cea mai mare dezvoltare a doctrinei adsorbției a ajuns în secolul al XX-lea prin lucrări. P. A. și colab.
Procesul de adsorbție este reversibil, particulele din straturile de adsorbție nu sunt fixate rigid, realizează mișcări vibraționale, apoi se apropie de suprafața adsorbantului, apoi se îndepărtează de el. Unele dintre ele pot depăși limitele forțelor de atracție ale adsorbantului. În acest caz, există un proces invers - desorbție. adică, detașarea moleculelor sau a ionilor de substanțe adsorbite de pe suprafața adsorbantului și evadarea lor în spațiul din jur.
În timp, sistemul intră într-o stare de echilibru de adsorbție:
în care numărul mediu de particule care părăsesc stratul de suprafață devine egal cu numărul mediu de particule adsorbite în aceeași perioadă de timp.
Adsorbția este selectivă. De exemplu, carbonul activ absoarbe bine clorul, dar nu adsorbționează monoxidul de carbon (II) - monoxid de carbon. Prin urmare, nu ar trebui să utilizați măști de gaz pentru a stinge incendiile, deoarece există o mulțime de monoxid de carbon (II) în zona de incendiu.
Procesul de adsorbție este exotermic și, prin urmare, în conformitate cu principiul Le Chatelier, adsorbția scade odată cu creșterea temperaturii. În acest caz, oscilațiile particulelor adsorbite de suprafață cresc, ca rezultat al echilibrului, în direcția desorbției.
O măsură cantitativă a adsorbției, Gibbs, este valoarea lui G, numită adsorbția specifică și definită ca un exces (de obicei, în moli) componentei pe unitatea de suprafață a interfeței:
unde n este numărul de moli de adsorbant;
S este suprafața.
Dacă adsorbantul este un corp poros solid, a cărui suprafață totală nu poate fi determinată, adsorbția se referă la masa unitară a adsorbantului și este notată cu simbolul A:
unde x este cantitatea de substanță adsorbită (kmol);
m este masa adsorbantului.
Adsorbția poate apărea la interfața următoarelor faze: gaz - solid, soluție - solidă, gaz - soluție.
Dependența adsorbției la parametrii sistemului: presiunea (concentrația) și temperatura sunt descriși de izoterme și izobaruri de adsorbție.
4. ISOTHERME ȘI EXPOZIȚII DE ADSORPȚIE
Se numește adsorbție izotermei de adsorbție O dependență de concentrația solutului C (în timpul adsorbției substanței în suprafețe solide sau lichide) sau parțială a presiunii gazului P (adsorbția gazelor sau vaporilor pe suprafețe solide) la o temperatură constantă.
Această dependență este deseori reprezentată grafic sub forma unei curbe
A = fm (C) - pentru substanțele dizolvate,
A = fm (P) pentru gaze /
Să luăm în considerare posibilele tipuri de izoterme de adsorbție. Un material experimental mare a făcut posibilă diferențierea a trei tipuri principale de izoterme de adsorbție.
Monomolecular izotermă (Langmuir) adsorbție (fig.6) este caracteristic pentru gaz (vapori) adsorbit pe anumite absorbanți solide și adsorbția solut la soluția de interfață - gaze și adsorbanți solizi, plasate în soluție.
Explicarea tipului de izotermă. În absența unui adsorbant (C = 0, P = 0), întreaga suprafață a adsorbantului este liberă. Cu o creștere a concentrației substanței dizolvate (sau a presiunii gazului), suprafața începe rapid să se umple cu molecule adsorbante; Adsorbția crește rapid (liniar), în timp ce suprafața suprafeței neocupate scade. Moleculele sunt greu de găsit un loc liber, creșterea absorbției încetinește. Atunci când întreaga suprafață este acoperită cu un strat monomolecular (un strat cu o moleculă groasă), apare saturația sau limita adsorbției lui Aj. Cu o creștere suplimentară a concentrației, cantitatea de adsorbție nu se mai modifică, deoarece întreaga suprafață este ocupată de molecule adsorbite. Cu temperatură în creștere, adsorbția scade. Izoterma este mai mică, dar valoarea adsorbției limitative este conservată (deoarece suprafața adsorbantului nu se schimbă), dar atingerea AT apare la concentrații mai mari.
Figura 6. Izotermul adsorbției monomoleculare (T2> T1)
Izotermele adsorbției polimoleculare (figura 7) sunt caracteristice pentru adsorbția gazelor și a vaporilor pe adsorbanți solizi. O izotermă a formei o (izotermă în formă de S) la presiuni scăzute seamănă cu izotermia adsorbției monomoleculare (secțiunea P1), adică un strat de molecule de adsorbant se formează pe suprafață. Odată cu creșterea în continuare a presiunii gazului din primul strat poate lua un al doilea, al treilea, și așa mai departe. Strat G. Moleculară are loc adsorbție polimoleculare, astfel crește brusc de adsorbție.
Primul strat de molecule este reținut pe adsorbant prin interacțiunea adsorbant-adsorbție. iar al doilea, al treilea strat sunt susținute de forțele de atracție dintre moleculele adsorbantului. Concentrarea adsorbantului pe suprafață duce la condensarea gazului (vaporii) și la suprafața adsorbantului se formează un strat lichid de condensat.
Figura 7. Izotermele adsorbției polimoleculare
Ps este presiunea saturată a vaporilor
Izotermele de adsorbție cu condensare capilară (figura 8) sunt caracteristice pentru gazele (vaporii) adsorbite pe adsorbentele poroase. Aceste izoterme sunt similare izotermelor de adsorbție polimoleculare, dar ele au și unele diferențe. Adsorbentele poroase au numeroase pori, care sunt capilare. Când se formează un strat polimolecular pe pereții porilor, apare o interfață curbă (concavă) cu vapori de lichid, presiunea de vapori saturată peste care este mai mică decât pe o suprafață plană. Prin urmare, în materialele poroase, vaporii se condensează la presiuni mai mici, iar condensarea continuă până când toate porii sunt umpluți. Acest proces se termină înainte ca presiunea saturată a vaporilor să fie atinsă. Prin urmare, izotermul de adsorbție atinge valoarea limită (toți porii sunt umpluți, adsorbția nu merge).
Figura 8. Izotermele adsorbției polimoleculare,
complicată de condensarea capilară
Ps este presiunea saturată a vaporilor
Izobar și izopicnalii de adsorbție
Adsorbția izobar este dependența adsorbției unui gaz (sau a vaporilor) pe un adsorbant solid la temperatura la presiunea parțială constantă a gazului (vaporii) A = fp (T)
Absorbția isopică este dependența adsorbției substanței dizolvate de temperatura la o concentrație constantă de substanță dizolvată A = fc (T)
Procesul de adsorbție este exotermic și, în consecință, conform principiului Le Chatelier, adsorbția fizică scade cu creșterea temperaturii (Figura 9). Pe măsură ce crește temperatura, vibrațiile particulelor adsorbite de suprafață cresc, se rup de suprafață, echilibrul se îndreaptă spre procesul de desorbție.
Figura 9. Isobar (P = const) sau adsorbție isopică (C = const).
Descrierea interacțiunii dintre moleculele adsorbante și moleculele adsorbante este o problemă foarte complexă și încă nesoluționată. Luarea în considerare a unor teorii de adsorbție va fi dedicată următoarei prelegeri.
Astăzi ne-am familiarizat cu principalele tipuri de fenomene de suprafață: umectare, răspândire și adsorbție. Următoarea prelegere va fi dedicată unei examinări detaliate a fenomenelor de adsorbție, care joacă un rol semnificativ în natură, procese tehnologice.
Profesor asociat al departamentului
Trimiteți-le prietenilor: