Адсорбция на поверхности раздела твердое вещество — жидкость

Явления адсорбции чрезвычайно широко распространены в природе. Там, где соприкасаются газы (или пары), жидкости и твердые тела, имеют место адсорб­ционные процессы. Почва хорошо поглощает (адсорбирует) не только растворен­ные в воде органические и минеральные соединения, но и воздух, углекислоту, па­ры воды, аммиак. Поглощение корнями питательных элементов из почвы начина­ется с их адсорбции на поверхности корневых волосков и тонких неопробковевших корней. Усвоение растением углекислого газа при фотосинтезе начинается с ад­сорбции СО₂ на внутренней поверхности листа. Превращения поглощенных солей и углекислоты связаны с явлениями адсорбции и десорбции на протоплазматических структурах и поверхностях клеточных органелл, пластид, митохондрий, микросом.

Явления адсорбции играют очень большую роль также и в жизнедеятельности животных организмов. Роль адсорбции обусловлена наличием в организме огром­ного количества самых разнообразных поверхностей раздела — стенок сосудов, поверхности клеток, клеточных ядер и вакуолей, коллоидных частиц протоплаз­мы и, наконец, поверхности раздела между организмом и средой. Особенно важна функция поверхности раздела между организмом и средой у низших организмов и организмов, живущих в воде, так как этой поверхности принадлежит сущест­венная роль в процессах питания и обмена веществ. Исследования последних лет показали, что пищевые вещества, как правило, являются поверхностно-активными, и потому первым этапом их усвоения является адсорбция, а процесс их химиче­ского превращения уже вторичен.

Чтобы наглядно представить роль и значение адсорбционных процессов, про­текающих в животном организме, рассмотрим адсорбционные возможности эри­троцитов крови человека.

Исследования показали, что эритроциты являются пе­реносчиками различных веществ, в том числе аминокислот, которые они разносят и передают клеткам и различным тканям организма. Количество эритроцитов в крови взрослого человека примерно 5 000 000 в 1 нм³. У здорового мужчины в среднем на 1 кг массы приходится 450 миллиардов эритроцитов, 27 триллионов на весь организм. Учитывая, что диаметр эритроцита 7—8 мкм, можно легко подсчи­тать, что общая поверхность эритроцитов всей крови человека составит пример­но 3200 м².

Большинство реакций, протекающих в организме, совершается при непосред­ственном участии ферментов-катализаторов. Исследования показали, что первые стадии действия любого фермента сводятся к адсорбции субстрата на поверхности ферментного комплекса, и только после этого фермент проявляет свое специфиче­ское каталитическое действие.

Адсорбционная способность может быть увеличена, если адсорбент имеет пористую структуру. Пористые адсорбенты бывают как минеральные , так и органичсекие. Минеральные – широко применяются для осветления и стабилизации фруктово-ягодных соков , растительных масел ,очистки питьевой и технической воды , в качестве осушителей пищевых продуктов и др.

Вопросы для самоподготовки

1. Понятие о поверхностной энергии и поверхностном натяжении. Методы их измерения. Способы уменьшения свободной энергии системы.

2. Что такое адсорбция? Виды адсорбции. Уравнения Гиббса.

3. Поверхностно-активные вещества (ПАВ), особенности их строения и действия; примеры применения в сельском хозяйстве.

4. Опишите адсорбцию на твердых адсорбентах.

5. Что является мерой смачивания. Приведите примеры гидрофильных и гидрофобных поверхностей, каково их значение в сельском хозяйстве.

6. Понятие о поверхностной энергии и поверхностном натяжении. Методы их измерения. Способы уменьшения свободной энергии системы.

7. Что такое адсорбция? Виды адсорбции. Уравнения Гиббса.

8. Поверхностно-активные вещества (ПАВ), особенности их строения и действия; примеры применения в сельском хозяйстве.

9. Опишите адсорбцию на твердых адсорбентах.

10 Что является мерой смачивания. Приведите примеры гидрофильных и гидрофобных поверхностей, каково их значение в сельском хозяйстве.

11 .Охарактеризуйте изотермы сорбции по Ленгмюру и Фрейндлиху, поясните БЭТ- изотерму.

12. Ионный обмен и его закономерности. Запишите уравнение ионообменного равновесия Б.П. Никольского.

13. Сущность поглотительной способности почв и ее значение для агрономической науки. Роль адсорбционных процессов в природных явлениях.

Как ранее было сказано, при изучении адсорбции веществ на жидких поверхностях наиболее удобным методом является измерение поверхностного натяжения жидкостей, так как мерой адсорбции на границе раздела жидкость – газ и жидкость-жидкость является уменьшение поверхностного натяжения с увеличением концентрации раствора.

Величину адсорбции на жидкой поверхности можно определить, измерив поверхностное натяжение, для чего существует несколько различных методов.

Важнейшими из них являются следующие: метод капиллярного поднятия, сталагмометрический метод, метод наибольшего давления пузырьков, метод отрыва кольца.

В данном практикуме предполагается определение поверхностного натяжения с последующим расчетом величины адсорбции на жидких адсорбентах методом наибольшего давления пузырьков воздуха ( метод Ребиндера ) и метод капиллярного поднятия жидкости..

Метод Ребиндера основан на измерении давления Р, необходимого для выделения воздуха из стеклянного капилляра в жидкость ( воду ) и зависит от радиуса капилляра, через который проскакивает пузырек.

В качестве стандарта используют чистые жидкости которые при постоянной температуре имеют постоянную величину поверхностного натяжения. Например, при 20^оС коэффициент поверхностного натяжения ( сигма - s ) равен: для воды 72,75; ртути – 475,00; этилового спирта – 22,0; бутилового спирта – 24,60*10 ^–3 Н/м. (см. Приложение табл. 4).

ЗАДАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ ПО ТЕМЕ 5