Адсорбция на границе твердое тело – раствор. Ионообменная адсорбция
Ионообменная адсорбция – обратимый процесс стехиометрического обмена ионами между ионообменной смолой и раствором электролита.
Ионообменные смолы или ионообменные сорбенты представляют собой гранулы полимера, напоминающие по внешнему виду крупный светлый или темно-коричневый речной песок. На поверхности гранул расположены функциональные группы, способные обмениваться катионами (катионообменная смола) или анионами (анионообменная смола) с водным раствором, содержащим сильный электролит. Катионообменная смола, содержащая на поверхности полимерной гранулы R сульфогруппы -SO3H, при контакте с раствором электролита участвует в обмене катионами:
R-SO3-H+(т) + Na+(р-р) + Cl-(р-р) ® R-SO3-Na+(т) + Н+(р-р) + Сl-(р-р).
Анионообменные смолы обмениваются анионами с водным раствором электролита, например:
R-NH3+OH-(т) + H+(р-р) + Cl-(р-р) ® R-NH3+Cl-(т)+ Н2O(ж).
Если пропустить водный раствор хлорида натрия последовательно через колонки, заполненные катионо- и анионообменными смолами, – получим чистую воду (рис. 17).
 | |||
 | |||
 | |||
 | |||
 | |||
 | |||
Рис. 17. Получение чистой воды при пропускании раствора хлорида натрия через ионообменные колонки
Практическое использование адсорбции
Явление адсорбции широко используется в хроматографии, для хроматографического разделения различных веществ, в промышленных методах очистки газов и растворов, а также осушки газов. Наиболее широко используются в качестве адсорбентов активные (активированные) угли, цеолиты, силикагель.
Активные угли приготавливают специальной обработкой каменного и древесного угля. Получают пористые крупнозернистые порошки с удельной поверхностью 200 – 450 м2/г. Активные угли применяют, например, для улавливания оксидов серы, азота, выбрасываемых предприятиями цветной металлургии, для очистки воздуха помещений промышленных предприятий от сероуглерода, сероводорода, ацетона, бензола и других вредных веществ.
Кроме активного угля используют также углеродистые волокнистые адсорбенты. Их получают высокотемпературной обработкой природных и синтетических волокон в среде водяного пара или СО2 при 600 – 1000 0С. Углеродистые волокнистые адсорбенты имеют удельную поверхность 500 – 2000 м2/г. Такие адсорбенты используются для изготовления средств индивидуальной защиты органов дыхания. Они нашли широкое применение в медицине для очистки крови и других биологических жидкостей, а также в повязках при лечении ран и ожогов. В качестве лекарственного средства этот адсорбент используется при отравлениях (поглотитель ядов).
Цеолиты – специально прогретые белые, иногда бесцветные порошки алюмосиликатов, являются молекулярными ситами – микропористыми материалами, способными избирательно поглощать вещества, размеры молекул которых меньше размеров микропор. Цеолиты используют в промышленности для выделения и очистки химических соединений.
Для получения синтетических цеолитов алюмосиликатные горные породы быстро нагревают при высокой температуре, в результате чего алюмосиликаты превращаются в пузырчатый материал, насыщенный микропорами. Природные и синтетические цеолиты способны избирательно поглощать вещества. Благодаря такому свойству в зону адсорбционной полости попадает только определенный сорт молекул.
Порошки силикагеля (аморфная форма оксида кремния) имеют удельную поверхность 5 – 800 м2/г. Силикагель как адсорбент применяют для осушки газов и органических жидкостей от влаги. Бумажные пакетики с силикагелем можно обнаружить в упаковке бытовых приборов. Они положены туда с целью защиты приборов от сырости.
Ионообменные смолы используют для умягчения воды, используемой в теплоснабжении. Известно, что растворимые в воде соли Ca(НСО3-)2 и Mg(НСО3-)2 при нагревании распадаются с образованием нерастворимых в воде осадков CaСО3 и MgСО3, покрывающих внутренние стенки котлов и трубопроводов. Прежде, чем использовать жесткую воду в качестве теплоносителя, её с помощью ионообменных смол освобождают от ионов Ca2+ и Mg2+.
Краткий итог темы
1. Любое конденсированное тело содержит в поверхностном слое микрочастицы, равнодействующая сил межмолекулярного (ионного) взаимодействия которых направлена внутрь тела, что создает поверхностное натяжение.
2. Следствием межмолекулярного взаимодействия на поверхности раздела фаз являются такие процессы, как смачивание, адгезия и адсорбция.
3. Для проявления смачивания необходимо, чтобы жидкость вступала во взаимодействие с твердым телом в присутствии газа или другой жидкости, которая не смешивается с первой.
4. Явление адгезии (прилипания) наблюдается в случае, когда между телами реализуется преимущественно ван-дер-ваальсово взаимодействие или водородные связи. Два тела прилипают при контакте поверхностями в результате уменьшения энергии поверхностного натяжения.
5. Физическая адсорбция – процесс концентрирования вещества на поверхности, который осуществляется под действием сил Ван дер Вальса или в результате образования водородных связей.
6. Химическая адсорбция отличается от физической адсорбции необратимостью вследствие того, что адсорбат участвует в химической реакции с активными центрами поверхностного слоя адсорбента.
7. Ионная адсорбция происходит в результате обратимого ионного обмена.
Термины для запоминания
Адгезив – тело, которое прилипает.
Адгезия – это прилипание находящихся в контакте поверхностей разной природы.
Адсорбат – адсорбированное вещество.
Адсорбентом называется тело, на поверхности которого происходит концентрирование вещества из объема.
Адсорбтивом называется вещество, которое находится в объеме жидкой или газовой фазы, способное адсорбироваться на поверхности.
Адсорбция – концентрирование вещества на поверхности раздела фаз.
Активные (активированные) угли приготавливают специальной обработкой каменного и древесного угля. Получают пористые крупнозернистые порошки с удельной поверхностью 200 – 450 м2/г.
Волокнистые углеродистые адсорбенты имеют удельную поверхность 500 – 2000 м2/г. Используются для изготовления средств индивидуальной защиты органов дыхания.
Ионообменная адсорбция – обратимый процесс стехиометрического обмена ионами между ионообменной смолой и раствором электролита.
Поверхностно-активное вещество (ПАВ) – это химическое соединение, структура которого включает неполярную углеводородную цепь (например, такую группу, как СН3(СН2)nСН2-), соединенную с полярной группой, например такой, как -СООNa.