ЗАНЯТИЕ №
Тема: Адсорбция.
Мотивация изучения темы. К поверхностным явлениям относятся процессы, протекающие на границе раздела фаз и обусловленные особенностями состава и структуры поверхностей. Клетки, являющиеся основой строения организма, отличаются сильно развитой поверхностью раздела (биологические мембраны), на которой осуществляются многие жизненно важные процессы. Особое значение для понимания механизма функционирования различных биологических структур имеет адсорбция – явление самопроизвольного изменения концентрации компонента в системе в поверхностном слое. С помощью адсорбции начинается взаимодействие любых веществ с клетками и тканями организма (питательных, токсических, лекарственных веществ и т. д.)
Взаимодействие ферментов с субстратами, антител с антигенами, поляризация и деполяризация биологических мембран – все эти явления не могут быть объяснены без применения закономерностей протекания адсорбционных процессов.
В медицине широко применяется адсорбционная терапия – использование веществ, называемых адсорбентами (активированный уголь, гидроксид алюминия в составе препарата «Альмагель» и т. д.) для связывания токсинов, нежелательных веществ, попадающих в желудочно-кишечный тракт. Одним из средств интенсивной детоксикации организма является гемосорбция – удаление из крови чужеродных организму веществ.
Цель: Изучить сорбционные явления.
Задачи изучения:
1. Изучить поверхностное натяжение, поверхностную активность.
2. Изучить адсорбцию на подвижных поверхностях раздела (газ-жидкость, жидкость – жидкость).
3. Изучить адсорбцию на неподвижных поверхностях раздела (твердое тело – жидкость, газ - твердое тело).
Продолжительность занятия - 165 минут (135 учебного времени и 30мин перерыв).
Место проведения занятия - учебный практикум (кафедра общей химии)
Задания для самостоятельной работы студента во внеучебное время (самоподготовка).
А. Контрольные вопросы
1. Поверхностное натяжение, поверхностная энергия, поверхностная активность (определение). Формулы расчета, единицы измерения; поверхностно-активные (ПАВ) и поверхностно-неактивные (ПНВ) вещества (определение, примеры). Строение молекул ПАВ. Правило Дюкло - Траубе.
2. Сорбционные явления: адсорбция (адсорбент, адсорбтив), абсорбция, хемосорбция (определения).
3. Адсорбция на подвижных поверхностях: газ - жидкость, жидкость – жидкость. Уравнение Гиббса.
4. Адсорбция на неподвижных поверхностях раздела. Уравнение Фрейндлиха, уравнение Ленгмюра.
а) Адсорбция на границе раздела газ - твердое тело. Основные положения теории Ленгмюра. Капиллярная конденсация.
б) Адсорбция на границе твердое тело – раствор. Молекулярная адсорбция. Правило Ребиндера. Адсорбция сильных электролитов. Избирательная адсорбция. Правило Панета - Фаянса. Ионообменная адсорбция. Иониты.
5. Значение адсорбции в медицине и биологии.
Б. Список рекомендуемой литературы:
1. Общая химия. Биофизическая химия. Химия биогенных элементов: Учебник для ВУЗов/ , , и др. - 2 изд. - М.: ВШ, 2000.
2. Практикум по общей химии. Биофизическая химия. Химия биогенных элементов/под ред. , - М.: ВШ, 2006.
3. , , Филиппова задач и упражнений по общей химии. - М.: ВШ, 2007.
4. Практикум по общей и биоорганической химии /под ред. – 3-е изд.-М.: изд. центр «Академия», 2008.-240с
В. Обучающий материал.
1. К поверхностным явлениям относятся процессы, происходящие на границе раздела фаз и обусловленные особенностями состава и структуры поверхностей. Образование поверхности раздела фаз требует совершения работы, следовательно, оно сопровождается увеличением свободной энергии системы. В поверхностном слое накапливается некоторый избыток энергии – поверхностная энергия Гиббса G, пропорциональная площади поверхности раздела фаз S:
Gs = у·S, где у – коэффициент поверхностного натяжения, т. е. работа образования единицы поверхности; он также называется поверхностным натяжением и измеряется в Дж/м2 или Н/м.
Самопроизвольное уменьшение свободной поверхностной энергии Гиббса Gs в однокомпонентных системах возможно только за счет уменьшения величины поверхностного натяжения в результате самопроизвольного перераспределения молекул компонента между объемом фазы и поверхностью раздела. Это явление называется адсорбцией.
В зависимости от природы растворенного вещества (компонента) возможно увеличение или уменьшение его концентрации в поверхностном слое. Положительно адсорбирующиеся вещества уменьшают поверхностное натяжение водной фазы, их называют поверхностно-активными веществами (ПАВ). К ним относятся одноатомные спирты, одноосновные карбоновые кислоты, соли высших карбоновых кислот, амины, эфиры и др.
Поверхностно - неактивные вещества (ПНВ) (адсорбирующиеся отрицательно) либо не изменяют поверхностное натяжение водной фазы, либо незначительно его увеличивают (к ним относятся неорганические вещества: кислоты, щелочи, соли).
2. Адсорбция на подвижных поверхностях раздела фаз (газ-жидкость, жидкость-жидкость), где изменение поверхностного натяжения легко установить экспериментально, количественно определяется уравнением Гиббса:
; где
Г – количество адсорбированного вещества, моль/м2;
С – молярная концентрация растворенного вещества, моль/дм3;
R – газовая постоянная, равная 8,31Дж/моль·К
- поверхностная активность.
В разбавленных водных растворах ПАВ некоторых гомологических рядов, согласно правилу Дюкло – Траубе поверхностная активность таких веществ увеличивается примерно в 3,2 раза при изменении углеводородного радикала на одну –СН2- группу.
3. Адсорбция на неподвижных поверхностях раздела (твердое тело – газ, твердое тело – жидкость), где изменение количественной характеристики поверхностного явления трудно поддается экспериментальному определению, описывается уравнениями Фрейндлиха и Ленгмюра.
а) уравнение Фрейндлиха:
а = КCn, где
а – адсорбция на неподвижной поверхности раздела, моль/м3;
К – константа, численно равная величине адсорбции при равновесной концентрации, равной единице;
n – константа, определяющая кривизну изотермы адсорбции (ее значение колеблется от 0,1 до 0,6)
lg a = lgK + n· lgC (логарифмическая форма уравнения Фрейндлиха).
б) Уравнение Ленгмюра:
; где
а∞ (или аmaxim) – предельная адсорбция, наблюдаемая при больших равновесных концентрациях, моль/м3;
б – константа, равная отношению константы скорости десорбции к константе скорости адсорбции (численно совпадает с равновесной концентрацией, при которой а = Ѕ а∞.
Константы в уравнениях Фрейндлиха и Ленгмюра определяются экспериментально. В отличие от уравнения Фрейндлиха уравнение Ленгмюра описывает ход экспериментальной изотермы при всех возможных значениях равновесных концентраций растворенного вещества. При малых концентрациях, когда С<<б, уравнение приобретает вид:
.
При больших концентрация, когда С>> б: а = а∞
4. Неэлектролиты и слабые электролиты на поверхности твердого адсорбента абсорбируются из растворов в виде молекул (молекулярная адсорбция)
Величину адсорбции из раствора на твердом адсорбенте экспериментально определяют по изменению концентрации растворенного вещества после завершения адсорбции, т. е. установления адсорбционного равновесия, по формуле:
; где
С0 и С – исходная и равновесная концентрации раствора, моль/л;
V – объем раствора, л;
m – масса адсорбента, г.
Если адсорбция на твердом теле (адсорбенте) происходит из раствора, то кроме молекул растворенного вещества могут адсорбироваться и молекулы растворителя. Чем лучше вещество растворяется в данном растворителе, тем оно хуже из него адсорбируется: полярные адсорбенты лучше адсорбируют полярные адсорбтивы из неполярных растворителей, а неполярные адсорбенты адсорбируют неполярные адсорбтивы лучше из полярных растворителей (правило Ребиндера).
5. Различают следующие разновидности адсорбции из растворов электролитов: 1) эквивалентную; 2) обменную; 3) избирательную.
1) при эквивалентной – катионы и анионы адсорбируются в количествах, которые соответствуют нулевому суммарному заряду (при этом не возникают заряженные поверхности). Эту адсорбцию можно рассматривать как адсорбцию неэлектролита.
2) обменная адсорбция заключается в обмене ионами между адсорбентом и раствором: адсорбенты, способные к обмену катионов – катиониты, к обмену анионов – аниониты.
3) при избирательной адсорбции на поверхности адсорбента накапливаются либо катионы, либо анионы, которые входят в состав кристаллической решетки адсорбента, или им изоморфны (правило Панета – Фаянса). В результате избирательной адсорбции возникают заряженные поверхности. Адсорбция ионов зависит от радиуса иона (чем больше радиус, тем больше адсорбция) и от величины заряда иона (многозарядные ионы адсорбируются лучше).
Г. Обучающие задачи
Задача Раствор уксусной кислоты объемом 60мл с концентрацией 0,1моль взболтали с 2г адсорбента. После достижения равновесия пробу раствора объемом 10мл оттитровали раствором NaOH (С= 0,05моль/л). На титрование затрачено 15мл NaOH. Вычислить величину адсорбции СН3СООН.
Дано: Решение.
m(адс.) = 2г
V0(СН3СООН)= 60мл 
C0(СН3СООН)= 0,1моль/л 1. При титровании: 
V1(СН3СООН)= 10мл Отсюда:
V(NaOH) = 15мл 
C(NaOH) = 0,05моль/л 
a(СН3СООН)-?
2.
Ответ: а = 7,5·10-4 моль/г
Д. Задачи для самостоятельного решения.
Задача 1. Раствор уксусной кислоты объемом 50мл с концентрацией 0,1моль/л взболтался с адсорбентом массой 4г. После достижения адсорбционного равновесия на титрование фильтрата объемом 10мл было затрачено 7,5мл 0,05н раствора КОН. Вычислите величину адсорбции уксусной кислоты. (Ответ: 7,8·10-4 моль/г).
Задача 2. Выберите один правильный ответ из предложенных вариантов:
1) ПАВ является вещество, формула которого…
H2SO4 CH3COONa Na2SO4 C17H35COONa
2) Полярной группой, входящей в состав ПАВ, является…
- СООН - Cl - NO3 - NO2
3) Вещество, адсорбирующееся на поверхности раздела фаз, называется…
сорбент экстрагент адсорбат элюент
4) Вещество, обладающее поглотительной способностью, называется…
адсорбер адсорбент адсорбат адсорбтив
5) Для процесса адсорбции справедливо соотношение:
ДG < 0 ДG>0 ДG>>0 ДG=0
6) Изменение концентрации вещества на границе раздела фаз называется….
концентрация десорбция адсорбция заполнение
7) Зависимость величины адсорбции от равновесной концентрации или парциального давления при постоянной температуре называется ………… адсорбции
изобарой изохорой изотермой адиабатой
8) Физическая адсорбция от химической отличается….
- невысоким тепловым эффектом и обратимостью;
- высоким тепловым эффектом и необратимостью;
- невысоким тепловым эффектом и необратимостью;
- высоким тепловым эффектом и обратимостью.
