ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ И ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ ЛЕКЦИЯ 6

ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ И ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ ЛЕКЦИЯ 6

Содержание лекции 1. Молекулярная адсорбция из растворов. 2. Хроматография. 3. Адсорбция электролитов (ионная адсорбция). 4. Ионообменная адсорбция.

Закономерности процесса молекулярной адсорбции из растворов n n n n Молекулярная адсорбция описывается 5 типами изотерм: Ленгмюра, БЭТ, совместной адсорбции растворенного вещества и растворителя, адсорбции и абсорбции. Процесс является более продолжительным, чем в случае адсорбции газов, так как замедлена стадия диффузии (особенно для крупных молекул на микропористых адсорбентах). Процесс идет интенсивнее при низких температурах в связи с уменьшением десорбции. На полярном адсорбенте лучше адсорбируется полярный адсорбтив, а на неполярном – неполярный. Адсорбция растворенного вещества происходит интенсивнее, если растворитель имеет большую величину поверхностного натяжения. Чем лучше растворимость адсорбтива, тем хуже он адсорбируется. Адсорбция ПАВ всегда идет в сторону выравнивания полярностей фаз адсорбента и жидкой среды и тем сильнее, чем больше первоначальная разность полярностей.

Правило выравнивания полярностей Ребиндера ПА, НА – полярный и неполярный адсорбент ПС, НС – полярная и неполярная среда НА ПС ПА НС НА НС ГПАВ>0 ГСРЕДЫ≈0 ГСРЕДЫ>0 Для образования адсорбционного слоя ПАВ необходимо, чтобы соблюдалось следующее соотношение диэлектрических проницаемостей фаз: εС> εПАВ > εА

Частные случаи (правила) молекулярной адсорбции n n Непредельные органические соединения адсорбируются лучше, чем предельные. Ароматические соединения адсорбируются лучше, чем алифитические. Для ферментов адсорбционная способность возрастает с увеличением молекулярной массы. Для гомологического ряда органических кислот адсорбционная способность возрастает в 3 -3. 5 раза при увеличении длины углеводородной цепи на СН 2 группу.

Хроматография n n Хроматография – метод разделения и анализа многокомпонентных смесей, основанный на их различной адсорбционной способности (М. С. Цвет 1903 г. ) Чем больше концентрация компонента в смеси, тем в большем количестве он будет адсорбироваться. Чем выше адсорбционная способность компонента, тем в большем количестве он будет адсорбироваться. Если вещество в чистом виде обладает низкой адсорбционной способностью по отношению к выбранному адсорбенту, то оно будет плохо адсорбироваться и из многокомпонентной смеси.

С В А Концентрация компонента в пробе Схема хроматографической установки и адсорбционной хроматограммы А В Объем элюата С

Механизм адсорбции ионов Эмпирические правила адсорбции ионов: 1. Правило Фаянса-Панета: адсорбируются те ионы, которые находятся в избытке и способны достраивать кристаллическую решетку твердого тела с образованием трудно растворимых соединений. 2. Чем больше радиус иона (при одинаковом заряде), тем лучше он адсорбируется. Li+ < Na+ < K+ < Rb+ < Cs+ + _ + + 3. Чем больше заряд иона, тем лучше он адсорбируется. _ _ K+ < Ca 2+ < Al 3+ < Ti 4+ Cl- < Br- < NO 3 - < J- < NCS-

Ионообменная адсорбция Модель матрицы катионита: 1 — каркас; 2 — фиксированный анион; 3 — подвижный катион, способный к ионному обмену Катиониты – иониты, способные к обмену подвижных положительно заряженных ионов. Аниониты – иониты, способные к обмену подвижных отрицательно заряженных ионов. Схема обессоливания воды [матрица] Н+ + Na+Cl- [матрица] Na+ + H+Clкатионит [матрица] OН- + Na+Cl- [матрица] Cl+ + Na+OHанионит

Кинетика ионообменной адсорбции 1. 2. 3. 4. 5. Диффузия адсорбирующихся ионов из раствора к поверхности ионита Диффузия ионов адсорбата внутри гранул ионита Обмен ионов на границе раздела фаз Диффузия замещенных ионов внутри гранул ионита Диффузия противоионов в объем раствора. Коэффициент внешней диффузии 10 -9 м 2/с Коэффициент внутренней диффузии 10 -15 -10 -10 м 2/с

Классификация ионитов Иониты Природные Органические Катиониты Синтетические Неорганические Аниониты Амфолиты

Свойства ионитов Ионообменная емкость характеризует способность ионита обменивать противоионы. Статическая емкость – общее количество ионогенных групп, приходящихся на единицу массы ионита. Динамическая емкость – количество ионогенных групп, участвующих в реакциях ионного обмена при определенных условиях. n Кислотно-основные свойства определяют способность к обмену ионов разного знака. Выделяют 5 групп: сильнокислотные катиониты (-SO 3 H), слабокислотные катиониты (-ОН; -СООН; -Si. OH), слабоосновные аниониты (-NH 2; =NH), сильноосновные аниониты ([-N(CH 3)3]+Cl-; -PO(OH)3), полифункциональные иониты (амфолиты). n Селективность – сродство ионита к ионам адсорбтива. Определяется их зарядом, степенью гидратированности и адсорбционной активностью. n Набухаемость – способность ионита поглощать воду. Определяется как отношение разностей объемов (масс) набухшего и воздушно-сухого ионита к объему (массе) воздушно-сухого ионита. n Химическая стойкость оценивается по изменению обменной емкости после обработки ионита тем или иным реагентом. Практическое значение имеет стойкость ионита к щелочам, кислотам, окислителям (моющие и дезинфицирующие средства). n Механическая прочность оценивается по изменению гранулометрического состава ионита после определенного числа циклов обработки. n

Количественные характеристики ионообменной адсорбции К 1, 2 = С 11/Z 1 • C 21/Z 2 С 21/Z 2 • C 11/Z 1 ПОЕ = n m Сi – количество поглощенных ионов Сi – концентрация ионов в растворе Z – заряд ионов n – число грамм–эквивалентов поглощенных ионов m – масса ионита Вещество Торф Значение ПОЕ, г-экв. /кг 0, 6 - 1 Чернозем 0, 6 – 0, 8 Подзол, суглинок 0, 05 - 0, 2

Иониты в пищевой промышленности Тип Обменные Емкость, группы г-экв/кг -SO 3 H 3, 0 -7, 0 Очистка сахара, пищевых кислот и пектина, обессоливание воды 6, 0 -10, 0 Разделение аминокислот, обесцвечивание сахарных сиропов 2, 5 -5, 0 Снижение кислотности молока, обессоливание воды Катиониты -COOH Аниониты -PO(OH)3, -CH 2 OH Области применения

Вопросы к лекции 6 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. Что общего и чем отличаются различные виды адсорбции на границе раствора с твердым адсорбентом? В каком случае ПАВ адсорбируются на межфазной границе жидкость - твердое тело? Почему при некоторых пищевых отравлениях рекомендуют принимать таблетки активированного угля? На каком принципе основан хроматографический метод анализа? От каких факторов зависит процесс адсорбции электролитов? В чем заключается особенность ионообменной адсорбции? Что представляют собой катиониты и аниониты? Напишите формулу для определения ПОЕ ионита. Каким образом можно определить константу ионного обмена? Приведите примеры использования ионообменной адсорбции в пищевой промышленности?