Главная Обратная связь

Дисциплины:

Архитектура (936)
Биология (6393)
География (744)
История (25)
Компьютеры (1497)
Кулинария (2184)
Культура (3938)
Литература (5778)
Математика (5918)
Медицина (9278)
Механика (2776)
Образование (13883)
Политика (26404)
Правоведение (321)
Психология (56518)
Религия (1833)
Социология (23400)
Спорт (2350)
Строительство (17942)
Технология (5741)
Транспорт (14634)
Физика (1043)
Философия (440)
Финансы (17336)
Химия (4931)
Экология (6055)
Экономика (9200)
Электроника (7621)






Адсорбция в растворах электролитов



Особенности ионной адсорбции

Ионная адсорбция – адсорбция из растворов сильных электролитов. В этом случае растворенное вещество адсорбируется в виде ионов.

Ионная адсорбция является более сложным процессом по сравнению с молекулярной адсорбцией, так как в растворе присутствуют уже частицы как минимум 3 видов: катионы, анионы растворенного вещества и молекулы растворителя.

Ионная адсорбция имеет ряд особенностей.

1. Адсорбируются заряженные частицы (ионы), а не молекулы.

2. Адсорбция сопровождается образованием двойного электрического слоя (ДЭС): ионы в растворе являются носителями электрического заряда, поэтому сорбция ионов сопровождается перераспределением зарядов и возникновением электрического поля в области поверхностного слоя. Например, переход катионов из объема жидкой фазы на поверхность твердого адсорбента приводит к тому, что твердая поверхность заряжается положительно, жидкая – отрицательно, и в поверхностном слое формируется ДЭС.

3. Адсорбция является избирательной, т. е. на данном адсорбенте катионы и анионы адсорбируются неодинаково.

4. В основе ионной адсорбции лежат химические силы, и она чаще всего кинетически необратима.

5. Для ионной адсорбции характерно явление обменной сорбции.

Адсорбция ионов происходит в соответствии с некоторыми эмпирическими правилами.

1) Чем больше заряд иона, тем сильнее ион притягивается противоположно заряженной поверхностью твердого тела, тем сильнее адсорбция:

К+ << Са2+ << А13+ << Th4+.

усиление адсорбции

2) При одинаковом заряде, чем больше кристаллический радиус иона, тем лучше он адсорбируется, так как увеличение кристаллического радиуса приводит к уменьшению гидратации иона, что облегчает адсорбцию. В соответствии с этим ионы можно расположить в ряды по возрастающей способности к адсорбции, называемые лиотропными рядами:

Li+ < Na+ < К+ < Rb+ < Cs+

Mg2+ < Ca2+ < Sr2+ < Ba2+

Сl < Br < NO3 < I < NCS.

адсорбционная способность возрастает

3) Особый интерес для коллоидной химии представляет адсорбция ионов поверхностью кристалла, в состав которого входят такие же или родственные ионы. В этом случае адсорбцию можно рассматривать как кристаллизацию, т.е. достройку кристаллической решетки способными адсорбироваться на ней ионами. Это позволило Панету и Фаянсу сформулировать следующее правило:

На кристаллической поверхности адсорбируются ионы, которые способны достраивать кристаллическую решетку и дают труднорастворимое соединение с ионами, входящими в кристалл.



Так, на кристаллах хлорида серебра nAgCl, помещенных в раствор KCl, будут адсорбироваться ионы и Сl, а не К+.

Ионообменная адсорбция

Ионообменная адсорбция это обратимый процесс стехиометрического обмена ионами между раствором электролитов и твердым телом..

Твердый адсорбент, практически нерастворимый в воде, поглощает из раствора ионы одного заряда (катионы или анионы) и вместо них отдает в раствор эквивалентное число других ионов того же заряда. Такой обменный ионный процесс аналогичен обменным химическим реакциям, но только протекает на поверхности твердой фазы.

Ионообменная адсорбция имеет следующие особенности:

1) специфична, т. е. к обмену способны только определенные ионы;

2) протекает более медленно, чем молекулярная адсорбция;

3) может приводить к изменению рН среды.

Ионообменники (или иониты) – вещества, проявляющие способность к ионному обмену при контакте с раствором электролитов. В зависимости от того, какой вид ионов участвует в обмене, иониты подразделяются на катиониты и аниониты. Катиониты способны обменивать катионы, в т. ч. ион Н+, аниониты – анионы, в т. ч. ион ОН. Существуют также амфолиты, которые в зависимости от условий (главным образом, рН) способны проявлять как катионообменные, так и анионообменные свойства.

Иониты имеют структуру в виде каркаса, «сшитого», обычно, ковалентными связями. Каркас имеет положительный или отрицательный заряд, скомпенсированный противоположным зарядом подвижных ионов (противоионов), которые могут легко заменяться другими ионами с зарядом того же знака. Каркас выступает в роли полииона и обусловливает нерастворимость ионита в растворителях.



Пример – карбоксильный катионит:

R – COO- + Na+ ® H+ + R – COO- ,

R – полимерный каркас;

COO- – неподвижный ион функциональной группы;

Н+ – подвижный (обменивающийся) ион функциональной группы;

Na+ – обменивающийся ион из раствора.

Различают природные и синтетические иониты. Природные: алюмосиликатные материалы – гидрослюда, цеолиты, монтмориллонит и т.д. Синтетические: ионообменные смолы, сульфитированные угли, ионообменные целлюлозы, синтетические волокнистые материалы.

Применение ионного обмена:

– очистка сточных вод, умягчение и обессоливание воды;

– в пищевой промышленности – обесцвечивание сахарорафинадных сиропов, при получении ионитного молока (изменения его солевого состава), для предотвращения помутнения и понижения кислотности вина и др.

– в хроматографии;

– ионный обмен имеет место в почве, и ее ионообменная емкость является одной из характеристик, определяющих ценность почвы.

 

14. Адгезия (прилипание, сцепление, слипание) – поверхностное явление, заключающееся во взаимодействии частиц поверхностных слоев двух конденсированных фаз.

Возможны три случая адгезии: адгезия между двумя жидкостями (ж-ж), между жидкостью и твердым телом (т-ж), между твердыми телами (т-т).

С адгезией сталкиваемся повсеместно: при покрытии различных поверхностей лаком и краской, склеивании материалов и т.д.

Адгезия бывает положительной (полезной) и отрицательной.

Хорошая адгезия лакокрасочных покрытий определяет эксплуатационные и потребительские качества этих покрытий. Эффективность инсектицидных препаратов, применяемых для борьбы с сельскохозяйственными вредителями, во многом определяется адгезией капель или частиц этих препаратов к листьям растений. Здесь адгезия играет положительную роль.

В пищевой промышленности отрицательная адгезия связана с прилипанием пищевых масс (тесто, сгущенное молоко, сметана и т.п.) к стенкам оборудования, что обусловливает производственные потери.

Еще одно отрицательное проявление адгезии – аутогезия (комкование). Например, аутогезия частиц сухого молока, кофе.

Количественно адгезию характеризуют величиной работы адгезии Aадг, т.е. работой, затраченной на отрыв молекул одной фазы от молекул другой фазы.

2 Cj4mnNZJ/DZuT8fN5Xf/8vmzjUmpx4d5/QrC0+z/j+GKH9ChDEwHe2btRKcgCZ94BVkC4pqmy+AP QWRpBrIs5C1/+QcAAP//AwBQSwECLQAUAAYACAAAACEAtoM4kv4AAADhAQAAEwAAAAAAAAAAAAAA AAAAAAAAW0NvbnRlbnRfVHlwZXNdLnhtbFBLAQItABQABgAIAAAAIQA4/SH/1gAAAJQBAAALAAAA AAAAAAAAAAAAAC8BAABfcmVscy8ucmVsc1BLAQItABQABgAIAAAAIQCnJsopCAgAAIs3AAAOAAAA AAAAAAAAAAAAAC4CAABkcnMvZTJvRG9jLnhtbFBLAQItABQABgAIAAAAIQDdFEFh3QAAAAcBAAAP AAAAAAAAAAAAAAAAAGIKAABkcnMvZG93bnJldi54bWxQSwUGAAAAAAQABADzAAAAbAsAAAAA ">

Рис. 2. s-образная изотерма адсорбции
Ai
pi
Рис. 3. Схема полимолекулярной адсорбции по теории БЭТ
Субстрат (подложка) 2 – поверхность, на которую наносится вещество, наносимое вещество – адгезив 3.

Субстрат и адгезив находятся в воздухе 1(рис. 1).

Пусть s21 и s31 –поверхностное натяжение субстрата и адгезива на границе с воздухом соответственно.

Gпов = sS,

где S– площадь поверхности.

Рассмотрим единицу площади поверхности субстрата и адгезива. Тогда суммарная поверхностная энергия системы в исходном состоянии

р¥ рr
Рис. 4. Заполнение поры жидкостью при капиллярной конденсации
Ai
pi
.

Совместим поверхности субстрата и адгезива (нанесем фазу 3 на фазу 2) (рис. 2). Суммарная поверхностная энергия при этом станет равной

,

где s23 – поверхностное натяжение на границе раздела субстрата и адгезива.

Изменение поверхностной энергии

.

С точки зрения термодинамики для равновесного обратимого процесса

.

Тогда

.

Это уравнение впервые вывел Дюпре. Из уравнения Дюпре следует, что работа адгезии тем больше, чем больше поверхностные натяжения субстрата и адгезива и чем меньше конечное межфазное натяжение.

15. Смачивание– частный случай адгезии – взаимодействие жидкости с твердой или более плотной жидкой фазой при наличии одновременного контакта трех несмешивающихся фаз, одна из которых газ (воздух).

Рассмотрим явление смачивания на примере капли жидкости, нанесенной на поверхность твердого тела. При этом возможны следующие случаи.

Полное смачивание.Капля жидкости самопроизвольно растекается на поверхности, пока не покроет всю поверхность или пока слой жидкости не станет мономолекулярным. Пример: капля воды на обезжиренном стекле.

Полное несмачивание. Капля жидкости на твердой поверхности самопроизвольно принимает почти сферическую форму. Пример: капля ртути на неметаллической поверхности.

Между этими крайними случаями наблюдаются различные промежуточные случаи, когда поверхность частично смачиваетсяжидкостью.

Количественной мерой смачивания служит краевой угол смачивания Q – угол между твердой поверхностью и касательной, проведенной к поверхности капли в точке соприкосновения трех фаз. Его измеряют со стороны жидкой фазы (рис. 3).

ps
Рис. 5. Изотерма адсорбции при капиллярной конденсации
lnА
lnp
lnβ
α
tgα = n
Если Q < 90° – жидкость смачивает поверхность, Q > 90° – поверхность смачивается плохо или совсем не смачивается.

Линия пересечения всех трех поверхностей раздела называется линией смачивания. Замкнутая линия смачивания образует периметр смачивания.

Угол смачивания зависит от поверхностного натяжения фаз.

Рис. 6. Графическое определение констант уравнения Фрейндлиха
Рис. 1
Периметр смачивания является границей взаимодействия трех фаз – воздуха 1, твердого тела 2 и жидкости 3. Эти фазы имеют разграничивающие их поверхности: поверхность жидкость – газ с поверхностным натяжением sж-г, поверхность твердое тело – газ с поверхностным натяжением sт-г и поверхность твердое тело – жидкость с поверхностным натяжением sт-ж (рис. 4).

Равновесие капли определяется одновременным воздействием этих трех поверхностных натяжений, которые на рисунке показаны в виде векторов (направлены по касательной к соответствующей поверхности). Два из них (sт-г и sт-ж) действуют на поверхности твердого тела в противоположных направлениях. Сила sж-г направлена к поверхности под углом Q.

При равновесии справедливо соотношение

sт-г = sт-ж + sж-гcos Q,

уравнение Юнга

Из уравнения Юнга следует, что смачивание зависит от поверхностного натяжения соприкасающихся фаз:

1) sт-г > sт-ж, cos Q > 0, Q < 90° – если поверхностная энергия фазы, на которую наносится жидкость, больше поверхностной энергии на границе раздела твердое тело – жидкость, поверхность смачивается жидкостью, т.е. высокоэнергетические поверхности лучше смачиваются жидкостью;

2) sт-г < sт-ж, cos Q < 0, Q > 90° – в данном случае поверхность плохо смачивается жидкостью;

3) чем меньше поверхностное натяжение жидкости на границе с воздухом sж-г, тем жидкость лучше смачивает поверхность.

Все жидкости по способности смачивать поверхность можно разделить на 3 группы:

1) вода – полярная жидкость, при t = 20 °С s = 7,2×10-2 Дж/м2 – высокоэнергетические поверхности (с большим sт-г) вода смачивает хорошо, низкоэнергетические – плохо;

2) органические растворители, s = (1,8-3,0)×10-2 Дж/м2 – обладают хорошей смачивающей способностью;

3) ртуть Hg, s = 46×10-2 Дж/м2 – не смачивает поверхность за исключением случаев, когда идет химическое взаимодействие.

Адгезию жидкости и смачивание можно изменять за счет модификации свойств твердых поверхностей путем их гидрофобизации или гидрофилизации и за счет регулирования поверхностного натяжения жидкости.

 

 


Эта страница нарушает авторские права

allrefrs.ru - 2019 год. Все права принадлежат их авторам!