Адсорбция

ВЫСШЕЕ УЧЕБНОЕ ЗАВЕДЕНИЕ

ЗАПОРОЖСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  И НАУКИ УКРАИНЫ

КАФЕДРА ХИМИИ

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат на тему:

“АДСОРБЦИЯ”

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил:

студент І курса         биологического ф-та

гр. ___________

Гулак Дмитрий

Проверил(а):

Панасенко Т.В.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Запорожье, 2007 
Содержание

1. Вступление           3

2. АДСОРБЦИЯ ВЕЩЕСТВА  — ОСНОВА ХРОМАТОГРАФИИ   4

3. КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ  ХРОМАТОГРАФИИ    6

4. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ   ПРЕДСТАВЛЕНИЯ В ХРОМАТОГРАФИИ   7

5. Влияние  температуры                  9

6. Теоретические  представления                11

7. Вывод                  12

8. Список литературы                 13

 

1. Вступление

Адсорбцией называется поглощение вещества поверхностью твердого тела (адсорбента).

Этот процесс обратим, т. е. адсорбированные частицы находятся в равновесии с частицами в растворе. Зависимость количества поглощенного вещества от концентрации раствора при постоянной температуре называют изотермой адсорбции. Типичная изотерма адсорбции приведена на рис. 5.1. Математически эта зависимость может быть выражена уравнением Лэнгмюра:

где n — количество адсорбированного вещества при равновесии; n_∞ — максимально возможное количество вещества, которое может быть адсорбировано; b — постоянная; с — концентрация вещества в растворе.

По Лэнгмюру, на поверхности  твердого тела имеются места с минимальной энергией, на  которых могут адсорбироваться молекулы или ионы из раствора, образуя мономолекулярный слой. Число таких мест (n_∞) определяет максимально возможное количество вещества, которое может быть адсорбировано. В области небольших концентраций, как видно, изотерма линейна. Действительно, при bс << 1 знаменатель становится равным единице и уравнение переходит в

Рис.1. Изотерма адсорбции

где   Г  — коэффициент. Это уравнение линейной адсорбции.

Однако известны случаи, когда зависимость количества адсорбированного вещества от концентрации раствора существенно отличается от изображенной на рис. 1.1. Это может быть вызвано образованием на поверхности адсорбента не моно-, а полимолекулярного слоя, что не предусматривается теорией Лэнгмюра, а также тем, что поверхность реальных твердых тел неоднородна, и некоторыми другими причинами.

При адсорбции  двух или нескольких веществ количество адсорбированного вещества будет определяться не только его концентрацией в растворе, ной сродством к адсорбенту. Сродство имеет существенное значение при адсорбции и одного вещества. При адсорбции нескольких веществ проявление сродства особенно заметно, так как возможно вытеснение одних адсорбированных веществ другими, обладающими большим сродством, хотя имеющими, может быть, и меньшую концентрацию.

Адсорбция ионов на поверхности  осадка характеризуется уравнением, но имеет некоторые особенности по сравнению с адсорбцией молекул. Особенности связаны с избирательной адсорбцией ионов ионным  кристаллом и с зарядом ионов. В соответствии с  правилом Панета — Фаянса — Гана осадок адсорбирует из раствора те ионы, которые образуют наименее растворимое или наименее диссоциированное соединение с одним из ионов осадка. В первую очередь на поверхности осадка адсорбируются ионы, входящие в состав осадка и имеющиеся в растворе в избытке. Например, при осаждении сульфата хлоридом бария в начальный момент и до полного осаждения сульфата бария на осадке будут адсорбироваться SO₄^-- ионы, так как в это время они находятся в избытке, а после полного осаждения ВаSO₄, когда в раствор введен избыток хлорида бария, адсорбироваться будут ионы Ва²⁺. Эти ионы образуют первичный слой, связанный с осадком довольно прочно. К ионам первичного слоя притягиваются ионы  противоположного заряда (противоионы), которые удерживаются менее прочно и образуют так называемый вторичный или диффузный слой. В качестве противоионов вторичного слоя выступают ионы, образующие наименее растворимое или наименее диссоциированное соединение с ионами первичного слоя. При прочих  равных условиях адсорбция иона увеличивается с увеличением его заряда. Число адсорбированных ионов возрастает также с увеличением поверхности осадка т. е. мелкокристаллические и аморфные осадки адсорбируют больше ионов, чем крупнокристаллические. С увеличением температуры адсорбция уменьшается.

 

2. АДСОРБЦИЯ ВЕЩЕСТВА — ОСНОВА ХРОМАТОГРАФИИ

Xроматографический метод анализа   разработан русским ботаником М. С. Цветом в  1903 г. В первых же  работах с помощью этого метода М. С. Цвет установил, что считавшийся однородным зеленый пигмент растений хлорофилл на самом  деле состоит  из  нескольких  веществ.  При  пропускании экстракта зеленого листа через колонку, заполненную пороком мела, и промывании петролейным эфиром он получил несколько окрашенных зон, что с несомненностью говорило о наличии в экстракте нескольких веществ. Впоследствии это было подтверждено другими исследователями. Этот метод он назвал хроматографией (от греч. хроматос — цвет), хотя сам же указал на возможность разделения и бесцветных веществ. Заметное развитие хроматографических методов началось в 30-е годы, когда возникла острая потребность в новом методе разделения смесей и очистки веществ, разлагающихся при нагревании. Хроматография продолжает бурно развиваться и в настоящее время является одним из наиболее перспективных методов анализа.

  Хроматографию можно определить  как процесс, основанный на  многократном повторении актов сорбции и десорбции вещества при перемещении его в потоке подвижной фазы вдоль неподвижного сорбента.

Вещество подвижной  фазы непрерывно вступает в контакт  с новыми участками сорбента и  частью сорбируется, а сорбированное  вещество контактирует со свежими порциями подвижной фазы и частично десорбируется.

При постоянной температуре адсорбция увеличивается с ростом концентрации раствора или давления газа. Зависимость количества поглощенного вещества от концентрации раствора или давления газа при постоянной температуре называют изотермой адсорбции. Типичная изотерма адсорбции приведена на рис. 17.1. Математически эта зависимость может быть выражена  уравнением  Лэнгмюра:

 

где n — количество адсорбированного вещества при равновесии; n_∞ — максимально возможное количество вещества, которое может быть адсорбировано; b — постоянная; с — концентрация вещества в растворе.

По Лэнгмюру на поверхности  твердого тела имеется некоторое число мест с минимальной энергией, расположенных через определенные интервалы по всей поверхности. Их число равно n_∞. На этих местах могут адсорбироваться молекулы из раствора или газа. В области небольших концентраций изотерма линейна. Действительно, при bс << 1 знаменатель становится равнымединице и уравнение (17.1) переходит в

Это уравнение линейной адсорбции. Оно соответствует уравнению Генри (Г — коэффициент Генри). Область линейной адсорбции иногда называют также областью Генри.

Однако известны случаи, когда зависимость количества адсорбированного вещества от концентрации раствора или  давления газа существенно отличается.

Изотерма адсорбции  может быть, например,  вогнутой или s-образной. Это может быть вызвано образованием на поверхности адсорбента не моно,  а  полимолекулярного слоя, что не предусматривается теорией Лэнгмюра, а также тем, что поверхность реальных твердых тел неоднородна, и другими причинами. Не смотря на некоторые существенные ограничения, применимость уравнений в теории хроматографических процессов остается до вольно широкой.

При адсорбции  двух или нескольких веществ уравнение для которого компонента принимает вид

Таким образом, количество адсорбированного вещества будет определяться не только его концентрацией, но и  сродством к адсорбенту. При адсорбции  нескольких веществ проявление сродства особенно заметно, так как возможно вытеснение одних сорбированных веществ другими, обладающими большим сродством, хотя имеющими, может быть, и меньшую концентрацию.

 

 

3. КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ ХРОМАТОГРАФИИ

Различные методы хроматографии  можно классифицировать по агрегатному состоянию фаз, способу их относительного перемещения, аппаратурному оформлению процесса и т.д. По агрегатному состоянию фаз хроматографические методы обычно классифицируют следующим образом.

По способу относительного перемещения фаз различают фронтальную  проявительную, или элюэнтную, и вытеснительную хроматографию.

 

Таблица1.  Классификация хроматографических методов по агрегатному состоянию фаз

Неподвижная фаза	Подвижная фаза
	газообразная	жидкая
Твердая     Жидкая	Газо-адсорбционная хроматография.   Распределительная газо-жидкостная хроматография	Жидкостно-адсорбционная  колоночная, тонкослойная, ионообменная, осадочная.  Распределительная жидкостно-жидкосп ная хроматография

Фронтальный метод. Это простейший по методике вариант хроматографии. Он состоит в том, что через колонку с адсорбентом непрерывно пропускают анализируемую смесь, например, компонентов А и В в растворителе Solv. В растворе, вытекающем из колонки, определяют концентрацию каждого компонента и строят график в координатах концентрация вещества — объем раствора, прошедшего через колонку. Эту зависимость обычно и называют хроматограммой или выходной кривой (рис. 17.2).

Рис.2 Выходная кривая фронталь-      Рис.3 Выходная   кривая

ного анализа    проявительного анализа

Вследствие  сорбции веществ А и В сначала из колонки будет вытекать растворитель Solv, затем растворитель и менее сорбирующийся компонент А, а затем и компонент В и, таким образом, через некоторое время состав раствора при прохождении через колонку меняться не будет. Фронтальный метод используется сравнительно редко. Он применяется, например, для очистки раствора от примесей, если они сорбируются существенно лучше, чем основной компонент, или для выделения из смеси наиболее слабо сорбирующегося вещества.

Проявительный (элюэнтный) метод. При работе по этому методу в колонку вводят порцию анализируемой смеси, содержащей компоненты А и В в растворителе Solv, и колонку непрерывно промывают газом-носителем или растворителем Solv. При этом компоненты анализируемой смеси разделяются на зоны: хорошо сорбирующееся вещество В занимает верхнюю часть колонки, а менее сорбирующийся компонент А будет занимать нижнюю часть. Типичная выходная кривая изображена на рис. 17.3.

В газе или растворе, вытекающем из колонки, сначала появляется компонент А, далее — чистый растворитель, а затем компонент В. Чем больше концентрация компонента, тем выше пик и больше его площадь, что составляет основу количественного хроматографического анализа. Проявительный метод дает возможность разделять сложные смеси, он наиболее часто применяется  в  практике.  Недостатком   метода  является  уменьшение

 

4. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ  ПРЕДСТАВЛЕНИЯ В ХРОМАТОГРАФИИ

Известно несколько  теорий хроматографического процесса. Существенное значение имеют метод теоретических тарелок  и кинетическая  теория.

В методе теоретических  тарелок Мартина и Синджа хроматографическая колонка мысленно делится на ряд элементарных участков — «тарелок» и предполагается, что на каждой тарелке очень быстро устанавливается равновесие между сорбентом и подвижной фазой. Каждая новая порция газа-носителя вызывает смещение этого равновесия, вследствие чего часть вещества переносится на следующую тарелку, на которой, в свою очередь, устанавливается новое равновесное распределение и происходит перенос вещества на последующую тарелку. В результате этих процессов хроматографируемое вещество распределяется на нескольких тарелках, причем на средних тарелках его концентрация оказывается максимальной по сравнению с соседними тарелками. Распределение вещества вдоль слоя сорбента подчиняется уравнению

где х - расстояние от начала колонки до точки, в которой концентрация равна с; Х_о — координата центра полосы; Н — высота, эквивалентная теоретической тарелке (ВЭТТ); l — длина слоя сорбента, на которой произведено поглощение и размещено n теоретических тарелок, при этом:

Если числитель дробного показателя степени в уравнениях  выразить в одних и тех же единицах, то при сравнении этих уравнений  получим:

Число теоретических  тарелок будет равно:

или, учитывая уравнение:

Эффективность колонки тем выше, чем меньше высота, эквивалентная теоретической тарелке, и больше число теоретических тарелок.

Таким образом, теория тарелок  позволяет рассчитать важные количественные характеристики хроматографического процесса, Однако теория тарелок, основанная на допущении ступенчатого характера хроматографического процесса, по существу формальна, так как реальный процесс протекает непрерывно. Значение высоты, эквивалентной теоретической тарелке, и число тарелок являются характеристиками размытости зон. Эти величины сохраняют свое значение и в кинетической теории хроматографии, учитывающей скорость миграции вещества, диффузию и другие факторы.