Тема: Адсорбция на поверхности растворов. Уравнение Фрейндлиха и Ленгмюра. Адсорбционные явления в почвах, растениях и организмах. Теоретическая часть

Явление поглощения одним веществом других веществ называется сорбцией. Процесс поглощения всей массой (всем объёмом) тела называется абсорбцией. Сорбция, происходящая только на поверхности тела, называется адсорбция.

В случае адсорбции поглощающее вещество называется адсорбентом; оно может быть в твердом или жидком состоянии. Вещество, скапливающееся на поверхности адсорбента – адсорбтивом или адсорбируемым веществом. В качестве адсорбтива могут быть молекулы или ионы газов, паров или растворенных веществ.

Явление адсорбции обусловлено наличием некомпенсированного силового поля у молекул, атомов или ионов, находящихся в поверхностном слое адсорбента. Эта ненасыщенность сил притяжения поверхностных молекул создает избыточную свободную энергию поверхности, называемую поверхностной энергией.

В процессе адсорбции происходит уменьшение свободной энергии поверхности вследствие притяжения к ней частиц адсорбируемого вещества.

По мере насыщения адсорбента увеличивается скорость обратного процесса - десорбции (отрыв частичек адсорбтива от адсорбента). Когда скорость адсорбции становится равной скорости десорбции, устанавливается динамическое адсорбционное равновесие. Концентрация вещества, соответствующая установившемуся равновесию, называется равновесной. Адсорбция зависит от природы адсорбента и адсорбтива, от температуры, давления газа или концентрации растворенного вещества.

Адсорбентами (поглотителями) являются уголь, силикагель, глина, каолин, целлюлоза, фильтровальная бумага, шерсть и другие материалы. Вещества в очень раздробленном состоянии (коллоидное состояние) обладают значительной адсорбционной способностью вследствие очень большой поверхности.

Величина адсорбции из растворов может быть вычислена по формуле; составленной на основе логических рассуждений:

, где

X – количество адсорбированного вещества в молях;

С_о – концентрация растворенного вещества до адсорбции в молях или эквивалентах на литр;

С – концентрация растворенного вещества после адсорбции в молях или эквивалентах на литр;

V – объем раствора в литрах;

m – масса адсорбента в граммах;

1000 - перевод молей в миллимоли.

Зависимость между концентрацией растворенного вещества и величиной адсорбции дают уравнения Лэнгмюра и Фрейндлиха.

Уравнение Лэнгмюра термодинамически обосновано. Оно имеет вид:

Г= , где

Г – величина адсорбции в молях на единицу массы адсорбента;

Г_∞ – предельная величина адсорбции в тех же единицах;

с – равновесная концентрация адсорбтива, выражаемая обычно в ммоль или миллиэквивалент на 1 литр раствора;

а – постоянная величина, численно равная равновесной концентрации, при которой половина поверхности адсорбента занята молекулами адсорбтива.

Уравнение Фрейндлиха установлено экспериментально. Для адсорбции из растворов оно имеет вид:

X = КС , где

X – величина адсорбции на единицу масы;

С – равновесная концентрация адсорбтива

К и п – постоянные величины.

Графическая зависимость, устанавливаемая приведенными выше уравнениями, изображается кривыми, которые называются изотермами адсорбции. Чем больше найдено экспериментальных точек, тем точнее может быть построена изотерма адсорбции. Для проверки, является ли данный процесс физической адсорбцией, обычно пользуются линейной формой уравнения.

Из уравнения Лэнгмюра линейная форма получается делением единицы на левую и правую часть уравнения:

= ,

Из уравнения Фрейндлиха линейную форму получают логарифмированием:

= ,

Этому уравнению в координатах lgС (ось абсцисс) и lgX (ось ординат) отвечает прямая линия. Для построения прямой требуется, меньшее число точек, чем для построения кривой сложной формы.

Уравнение Фрейндлиха применимо к случаю адсорбции недиссоциирующих или слабо диссоциирующих веществ, когда вещество адсорбируется молекулярно (в виде молекул). Молекулярная адсорбция обратима и всегда понижается с увеличением температуры.

Рис. Логарифмическая форма изотермы адсорбции Фрейндлиха.

Почвы являются многофазными гетерогенными системами, обладающими адсорбционной способностью. Величина адсорбции находится в прямой зависимости от удельной поверхности (суммарная поверхность частиц одного грамма адсорбента). Почвы, содержащие в своем составе большое количество

мелких частиц, т. е. имеющие большую удельную поверхность, обладают большей адсорбционной способностью, чем почвы с крупными частицами (например, черноземная и песчаная).