Адсорбция - знаете ли как?
Ориз. 105. Устройство за демонстриране на абсорбцията на амоняк от въглища.
Както бе споменато по-горе, въглищата имат свойството да абсорбират различни вещества на повърхността си. Абсорбцията на газове, пари и разтворени вещества от повърхностния слой на други вещества се нарича адсорбция. Абсорберите или адсорбентите могат да бъдат както твърди, така и течни; най-добрите адсорбенти обаче са твърдите вещества.
Явлението адсорбция се обяснява с факта, че частиците, разположени на повърхността на веществото, са в различни условия от частиците, разположени вътре в него. Вътре в веществото всички сили, действащи между частиците, са взаимно уравновесени, а на повърхността на веществото се уравновесяват само силите, насочени вътре в веществото и в равнината на самата повърхност. Следователно повърхностният слой може да привлича частици от течната или газообразна фаза в контакт с него. В много случаи адсорбираният слой от частици е мономолекулен, т.е. има дебелина от една молекула.
Адсорбираните молекули правят определени вибрации. Някои от молекулите се откъсват и преминават обратно в околната среда, на тяхно място влизат нови молекули и в резултат на това се установява определено състояние на адсорбционно равновесие, при което за единица време толкова молекули се абсорбират от повърхността, колкото са я напуснали.
Състоянието на адсорбционното равновесие зависи както от концентрацията на абсорбираното вещество във фазата в контакт с адсорбента, така и от температурата. С увеличаване на концентрацията абсолютният брой на адсорбираните молекули се увеличава, въпреки че в процентно отношение те се адсорбират по-малко, отколкото при ниски концентрации.
Изместването на равновесието с промяна на температурата се определя от факта, че адсорбцията е придружена от отделяне на топлина. Следователно, споредПринципът на Льо Шателие, повишаването на температурата измества адсорбционното равновесие, причинявайки десорбция, т.е. обратното освобождаване на адсорбираните молекули. Понижаването на температурата, напротив, увеличава количеството на адсорбираното вещество.
Увеличаването на повърхността на веществото, когато то се раздробява
| Дължина на ръба на куба | Брой кубчета вcm 3 | Обща повърхност | Дължина на ръба на куба | Брой кубчета в 1cm 3 | Обща повърхност |
| 1 sm |
0,01mm1
10 96 см2
6000cm 21 μ.
0,1 mm10 12
10 246m 2
60000m 2
Тъй като адсорбцията е явление, което се случва само на повърхността на веществото, ясно е, че колкото по-голяма е общата повърхност на адсорбента, толкова повече молекули може да абсорбира. Следователно порестите и прахообразните вещества като правило имат по-голяма абсорбционна способност от веществата, които нямат пори. Визуално представяне на това колко се увеличава повърхността на дадено вещество, когато се раздробява, е дадено в табл. 23. Показва увеличение на повърхността на куб с ръб 1cm, когато той последователно се разделя на кубчета с ръб 1mm,0,1mmи т.н. Обикновеният въглен има особено висока адсорбционна способност, което до голяма степен се дължи на порестата му структура.
За да наблюдаваме поглъщането на газове от въглища, ще направим следния опит. Нека напълним стъклен цилиндър с амоняк и спуснем отворения му край в чаша с живак (фиг. 105). След това, като калцинираме парче въглен върху горелката, го потапяме в живак за охлаждане и го поставяме под отвора на цилиндъра с амоняк. Въглищата изплуват на повърхността на живака в цилиндъра иживакът веднага започва да се издига нагоре поради абсорбцията на амоняк от въглища.
Количеството газ, абсорбирано от адсорбента, зависи както от свойствата на адсорбента, така и от природата на газа. В същото време се наблюдава известна закономерност, състояща се в това, че газът, като правило,
толкова по-добре се абсорбира, колкото по-висока е критичната му температура, т.е. толкова по-лесно се втечнява.
В табл. 24 показва количествата различни газове в милилитри, адсорбирани от 1gвъглен при 15°и нормално налягане.
Адсорбция на газове от въглища
| Адсорбент | Темпо. бала в °C | Количество |
адсорбиран газ вmlСорбирано веществоТемпо. бала в °CКоличеството адсорбирано
газ вmlсерен диоксид
Амоняк Сероводород- 10.1
— 60,7380
99Въглероден двуокис Метан
— 252.747.6
Активният въглен абсорбира особено добре газовете. Един от най-добрите начини за приготвяне на активен въглен е да подложите обикновения брезов въглен на интензивна топлина в струя водна пара. От такава обработка въглищата стават много порести и абсорбционната им способност се увеличава драстично.
Активният въглен се използва за абсорбиране на пари от летливи течности от въздушни и газови смеси. Бензинът, например, се улавя от активен въглен от природни газове, отделяни в големи количества в нефтени райони. Абсорбцията на летливи течности от въглища и други адсорбенти, последвана от десорбция на абсорбираните вещества, се използва широко в индустрията и спестява значителни количества ценни разтворители.
Силно охладеноактивният въглен е отлично средство за постигане на висока степен на вакуум, като абсорбира последните следи от газ, които вече не могат да бъдат отстранени от вакуумна помпа. Активният въглен също се използва като катализатор в някои химически индустрии.
По време на Първата световна война 1914-1918г. активният въглен се използва по предложение на Н. Д. Зелински за защита на дихателните органи от токсични вещества. Пълните с активен въглен „противогази” на Зелински спасяват от мъчителна смърт десетки хиляди български войници през Първата световна война. В съвременните противогази се използва и активен въглен (фиг. 106).
Николай Дмитриевич Зелински
Николай Дмитриевич Зелински е роден през 1861 г. в град Тираспол. След като завършва Новоболгарския университет (в Одеса) през 1884 г., той е оставен при него за научна работа. През 1891 г. Зелински защитава докторската си дисертация за изследване на феномена на стереоизомерията. През 1893 г. получава катедрата по органична и аналитична химия в Московския университет, където работи до края на живота си. През 1929 г. Н. Д. Зелински е избран за редовен член на Академията на науките на СССР.
Обхватът на научните интереси на Н. Д. Зелински беше необичайно широк. Трудовете на Зелински и неговите ученици в областта на органичната катализа заемат водещо място в световната наука. Изключителен интерес представляват изследванията на Зелински в областта на нефта и хидролизата на протеинови съединения, които за първи път дават указания за цикличната структура на протеиновите молекули.
Адсорбцията на разтворени вещества от въглищата е открита в края на 18 век. Българският академик Т. Е. Ловиц, който използва въглища за пречистване на винен алкохол. Оттогава в дестилериите виненият алкохол се пречиства от съдържащите се вто примеси (така наречените сивушни масла) чрез филтриране през въглища. В захарните рафинерии захарта се пречиства по същия начин от вещества, които й придават жълтеникав цвят.
Освен въглищата, редица други вещества също имат изразена адсорбираща способност. Например, процесите на боядисване на тъкани, дъбене на кожа и др., се основават на адсорбцията на разтворени вещества от растителни и животински влакна.
Различните вещества се адсорбират по различен начин върху един и същ адсорбент. Използвайки това явление, българският ботаник М. С. Цвет (1872-1919) разработва метод за хроматографски ("цветен") анализ, който успешно прилага за разделяне на пигмента на зелените листа на растенията - хлорофила, който се състои от две много близки по структура вещества. Той извлича хлорофила от листата с бензин и прекарва разтвора през стъклена колона, плътно натъпкана с калциев карбонат. Оцветеният бензин, преминавайки през колоната, става безцветен и отделни пигменти, последователно адсорбирани върху калциев карбонат, образуват серия от цветни пръстени в цилиндричната колона. Изваждайки колона от калциев карбонат от колоната, Цвет я разделя на цветни пръстени, извлича адсорбираното вещество от всеки пръстен със съответния разтворител и така получава химически чисти видове хлорофил.
Фиг. 106. Противогаз: 1 - гумена маска, 2 - очила, 3 - издишващ клапан, 4 - гофрирана тръба, 5 - абсорбираща кутия.
Чрез създаването на необичайно фин метод за адсорбционен анализ. Цветът изпълни съкровената мечта на химиците - да разделят смес от свързани химични съединения на отделни компоненти, без да я излагат на активни химически или физически въздействия. Понастоящем хроматографският метод се използва широко във всички видове изследвания. СЪСС помощта на този метод в съвременните индустрии се получават най-чистите препарати от различни витамини, хормони, пеницилин и други вещества.
Академик П. А. Ребиндер установи влиянието на адсорбцията върху механичната якост на различни материали. Той показа, че по време на адсорбцията на така наречените повърхностно активни вещества, т.е. вещества, които значително понижават повърхностното напрежение на течности, от твърди вещества, техните молекули "вклиняват" най-малките пукнатини в твърдите вещества, намалявайки силата на последните. Това явление е от голямо значение в практиката на скалното пробиване, при обработката на сплави и др.