Адсорбция жайында жалпы түсінік

      

 

 

                                           Жоспар

• Адсорбция жайында жалпы түсінік.
• Адсорбциялық құбылыстың жалпы сипаттамасы.
• Адсорбция түрлері мен теориясы.
• Хроматография.Жалпы сипаттама.
• Қолданылған әдебиет.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Адсорбция  (лат. ad- бетіне және serbeo сіңіремін) қатты немесе сұйық заттардың бетіне газ, бу және еріген заттарды сіңіруі. Заттардың ішіндегі бөлшектерінің  өзара куштері теңесіп, барлық бағытта да өзініің көріші бөлшектерімен байланыста болса, ал заттың сыртқы бетінде көрші бөлшетер жоқ болғандықтан, оның тарту күшінің біразы бос тұрады.Сондықтан сыртқы бетке жанасқан газ, бу және еріген заттың бөлшектері оған тартыоады. Бетінде адсорбция болатын зат адсорбент деп аталады.Физикалық адсорбцияда адсорбенттің молекуласы өзгермейді, химиялық адсорбцияда (химосорбция) олар адсорбцияның бетінде онымен химиялық қосылыс түзеді. Адсорбция мөлшеоі адсорбенттің қасиетіне, сіңіретін заттың табиғатына, темпиратураға байланысты. Қатты адсорбент ретінде активтелгнг көмір, силикогель,алюмогель, ал сұйық адсорбент ретінде су, көмірсутектер т.б. органикалық сұйықтық қосылыстары. Адсорбция газдар мен сұйықтар қоспаларын бір бірінен бөлу, оларды кептіру, тазарту үшін противогаздарда қолданады. Бөлу жоспарында, көптеген биологиялық процестерде адсорбцияның маңызы үлкен.

              Адсорбциялық құбылыстың жалпы сиспаттамасы. 

            Берілген дененің(заттың) дисперстілік  дәрежесі жоғарылыған сайын, ол  өзінің көбейген бетіне басқа  дененің көп бөлшегін сіңіреді.Еріген  немесе газ қалпындағы заттардың қатты дене немесе сұйықтың бетіне өздігінен жиналып, шоғырлана келіп, қоюлану құбылысын сорбция деп атайды.Әдетте өзінен басқа сіңіруші затты сорбент, ал оғен сіңірілетін затты сорбтив деп атайды.Ал сорбцтяға кері құбылысты десорбция дейді.Сорбтив бөлшектері сорбентке қаншалықты терең сіңуіне байланысты және ондағы пайда болатын өзара әсер мен байланыс күшіне, табиғаты сәйкес сорбция күшін қарастырады. Егер сіңіру дененің тек беткі қабатында ғана жүретін болса, онда оны адсорбция деп атайды. Мұнда да сіңіруші затты адсорбент, ал сіңірілетін затты адсорбтив деп атайды.

            Сорбент пен сорбтив бөлшектерінің тбиғаты мен өзара әрекеттесу сипатына орай, сорбция құбылысын физикалық және химиялық деп бөледі.Физикалық сорбция әлсіз және қайтымды.Ол тек молекуааралық, яғни ван дер вальстік күш әсерімен жүзеге асады.Ал химиялық сорбцияны химосорбция деп те атайды және ол қайтымсыз, өйткені ол артық не бос валенттілік  арөылы іске асады. Хемосорбция одан әрі жіктеле келіп абсорбциялы және адсорбциялы болып бөлінеді.Бұл бөлулер тек шартты ғана.

              Капилляр(жіңішке түтікше) конденсациялы сорбциялық процесс деп аталатын құбылыстың негізгі мәні тек сіңәіруде ғана емес,мысалы, активті көмірдің өз бойына газдар мен буларды сіңіретіні сияқты, жеңілдетілген қатты қуыс сорбенттердің өз бойына конденсациялануымен де ерекше мәнде болады.Капиллярлы конденсация ең алдымен  оңай да жеңіл қосылатын (сығылатын)газдарда жиі кездеседі.

    Капиллярлы конденсация дегеніміз қатты дене (сорбент) қуысында бу сияқты заттардың (сорбтивтердің) конденсациялануы. Конденсация құбылысы темпиратураға, бу серпімділігіне, капилляр диаметріне, қатты сорбенттің беткі қабатының өзіне сұйық күйдегі сорбтивті жұқтыру өабілетіне байланысты.Ондағы капилляр түтігі жіңішке болған сайын  және олардың қабырғасы сұйық күйдегі сорбтивті өзіне жақсы жұқтырғанда да конденсациялану тезірек жүреді.

    Абсрбция дегеніміз сорбент массасына диффузия арқылы газ енгендегі сробция құбылысы.Ол берілген бір заттың (сорбтивтің) екінші бір затта(сорбентте) еру құбылымына  пара пар. Фаза араларындағы таралу заңы Генри заңына бағынады.Қазір абсорбциялық құбылыстар өнеркәсіптк кеңінен қолданылады.

    Хемосорбция дегеніміз сіңетін және сіңіретін заттар арасындағы  әрекеттесуі терең жүру нәтижесінде  жаңа химиялық заттар пайда болатын процесс. Бүған мысал ретінде натронды ізбестің көміртек (IV) оксиді мен күкірт (IV) оесидін өзіне сіңіріп, карбонат пен сульфат тұздарын түзетінін келтіруге болады. Хемосорбцияны да физикалық сорбция мен  абсорбциядан осы құбылыстар кезінде бөлінетін жылу шамасымен өлшеп, ажырытуға болады.

    Адсорбция құбылысы.Термодинамиканың екінші заңына сәйкес бос энергия қоры бар системалар сияқты заттардың жанасу шегінде де бос энергия қоры болғандықтан, ол өздігінен осы энергияны азайтуға ұмтылады. Бұл адсорбция және басқа да физикалық құбылыстардың жүруіне тікелей және жанама әсер етеді.Адсорбция дегеніміз екі фазаның жанасу шегіндегі заттар концентрациясының  өздігінен өзгеруі немесе  әдетте біреуі қатты зат болып келетін екі фазаның жанасу шегіндегі  беткі қабатта бір фаза концентрациясының жоғарылауы.Қалыптасөан терминологияға сәйкес бетіне басқа зат жинақталатынды адсорбент, жинақтаушыны адсорбтив немесе адсорбат дейді. 

Адсорбент бетінің 1см ²-на сіңген заттың  мөлшерін меншікті (үлесті) адсорбция (Г) деп атайды. Іс жүзінде кез келген адсорбент бетін өлшеу мүмкіедігі бола бермейтіндіктен, 1кг адсорбентке адсорбцияланған мольмен өлшеп, А әріпімен белгілейді:

                 A=x/m

Адсорбция (А) мен меншікті адсорбция арасындағы байланыс былайша өрнектеледі:

                A=Г*Sº

Берілген адсорбент пен адсорбтив үшін  адсорбцияның шамасы адсорбтив газ күйінде болса темпиратура (Т) мен қысымға (Р), ал ерітінді болса темпиратура(Т) мен концентрацияға (С) тәуелді.

Көптеген зерттеулерде көрсеткендей адсорбция қайтымды процесс. Адсорбция жүретін беткі қабаттарда  оргаласқан молекулалар аса мықты бекітілмеген. Олардың кейбіреулері  адсорбенттің тартылыс күші әсер  ететін шектен шығып кетуі мүмкін, яғни адсорбенттің бетінен бөлініп, өзі қоршаған ортаға кетуі мүмкін. Мұны десорбция дейді.Бұл екі құбылыс белгілі бір жағдайларда  адсорбциялық системада тепе теңдік жағдайын тудырады:

         адсорбция  ↔  десорбция    

Мұндай тепе теңдік жағдайда белгілі мерзім аралығында адсорбент бетінен бөлініп, басқа жаққа кеткен, яғни десорбцияланған  бөлешктер санысы уақыт аралығында  екінші ортадан бөлініп, адсорбцияланған бөлшкетер санына тең болады.

Адсорбция процесі экзотермиялық, демек оны Ле Шателье принципіне сәйкес төмендеу темпиратурада жүргізу тиімді. Тәжірибе көрсетіп отырғандай, температура жоғарылаған сайын адсорбция кезіндегі әр бөлшектің ішкі жылуы, ішкі энергиясы артып, атомдық не молекулалық тербеліс жиілеп, адсобция мен десорбция процестер арасында орнаған тепе- тіңдік бірте бірте дисорбция бағытына үарай ығыса бастайды. Сондай ақ адсорбцияға экзотермиялық сияқты құбылыстармен қатар, бұл процесске өте аз шамадағы активтендіру энегиясы тән екен. Адсорбция процесіндегі энегетикалық кедергі төмен болғандықтан, ол жоғары жылдамдықпен жүреді. Сондықтан энергетикалық тұрыдан алғанда адсорбция экзотермиялық құбылсыпен байланысты жүретін қайтымды рекцияға ұқсас екен. Алайда адсорбциядағы жылу эффектісінің мәні қайтымды экзотермиялық рекция мен хемосорбцияныкінінен төмен болады. Көбіне адсорбция өз табиғаты мен табиғатына қарай сұрыпталып жүреді. Мысалы, бұрында қарастырылған активтелген көмір аммитакты да, хлорды да   жақсы адсорбциялайды, ал ол көміртек(ІІ) оксидін адсорбцияламйды, демек кәдімгі улы газдан қорғанатын аспапты өт сөндіргенде қолдануға болдмайды. Өйткені бұл аспаптағы негізгі улы газды адсорбциялайтын зат – активтелген көмір және өрт кезіндегі негізгі газ  - көміртек (ІІ) оксиді.

 

        Адсорбция түрлері мен теориясы.

Қатты дене  -сұйық зат жанасу шегіндегі адсорбция түрінің біріне жататын ион алмастырғыш  адсорбцияның маңызы аса зор. Ол жан –жақты зерттелген.

Ион алмастырғыш адсорбция. Ерітіндідегі күшті электролиттер  толығымен дерлік диссоцация әсерінен иондарға ыдырайтындықтан, оларға кәдімгі адсорбциялық және әр түрлі  электр күштері әсерету нәтижесінде  осы электролиттерді қатты адсорбент бетінде адсорбцияланудың өз ерекшеліктері болады.Күшті электролит иондарын адсорбциялау екі тектегі күштің әсері арқылы жүреді екен. Олар адсорбенттің беттік моекулалық және иондар адсорбцияланғанда пайда болатын электр күші.

Электр адсорбцияның үш  түрі бар: эквивалентті, ауыспалы,  ерекше немесе таңдамалы.

Эквивалентті адсорбция кезінде электролит  молекуласы түгелдей сіңіріледі. Оны былай түсіндіруге болады.Берілген электролиттің жақсы адсорбцияланатын ионы өзінің екінші нашар адсрбцияланатын  ион жұбын(электролит молекласы екі ионнан тұрады) адсорбент бетіне тартады.Мұнда екінші ионның адсорбцияланғыш қабіліті артады да, ерітіндідегі адсорбциялайтын басқа иондар бірінші ионның адсорбциялануын төмендетеді. Сөйтіп екі ион да бірдей (эквиваленттік жағдайында) адсорбцияланады, сондықтан да эквивалентті адсорбцияны молекулалық деп те атайды. Ол әлсіз электролиттерге тән.Эквивалентті адсорбция жағдайында, фазалардың жанасу шегіндегі электр нейтралдылық сақталады.

Ал ауыспалы адсорбция құбылысында электролит иондарының біреуі іріктеле келіп, адсорбент бетіне жақындағанда қатты адсорбентен осы мәндегі зарядтас басқа  ион ерітіндіге алмасады. Сөйтіп электролит ерітіндісіндегі және қатты адсорбенттегі аттас иондар бірімен –бірі орын алмасады.Мұндай ион алмастыру құбылысы тепе-теңдік жағдайында , яғни эквивалентті түрде алмасқандықтан,екі фазаның жанасу шегі әркез электр нейтралды болады.Әдетте ауыспалы адсорпция басқа адсорбциядан баяу жүреді және оны хемосорбция процесі ретінде де қарастыруға болады.

Егер ауыспалы адсорбция кезінде адсорбент өзіне сіңірген ион орнына ерітіндіге сутектің немесе гидрокситтің эквивиаоентті ионын берсе, онда мұндай адсорбцияны гидролиттік деп атайды. Мысалы, натирий хлориді, калий хлориді немесе нитраты секілді нейтрал тұздардың ерітіндісін активтелген көмір арқылы өткізсе, онда активтелген көмір осы ерітіндіден өзіне иондарды адсорбциялап, олардың орнын гидроксил тобына береді,сөйтіп ерітінді әлсіз сілтілік орта көрсетеді.Олай болса гидролиттік ауыспалы адсорбция кезінде активті бетте: жанасу шегінде болатын көптеген  ауыспалы не басқа да құбылыстарға қарамастан сутек және гидроесил  иондары алмасады.

Енді ауыспалы адсорбцияға бірер мысал келтірейік. Көлдер мен өзендерде, су қоймалары мен тоғандарда кездесетін суды техникалық су дейді. Олардың құрамында  көбінесе кальций, магний, натрий, калий сияқты химиялық элементтердің элементтері  кездеседі. Ондай суды кермек су дейді. Онда әсіресе, кальций мен магний тұзы зиянды. Оны тазалау, яғни тұщылау үшін адсорбциядағы ион алмастыру пайдаланады. Мысалы, техникалық суды тұщыландыру үшін табиғи силикатар- цеолиттер мен глаукониттер қолданылады. Кейде жасанды әдіспен синтезделген сілтілік металдардың алюмосиликаттары пайдаланылады. Мұндай техникалық суды тазалауға арналған күрделі силикаттар пермутиттер деп аталады. Осындай пермутиттің суды тазарту,  тұщылау схемасын төмендегәдей көрсетуге болады:

 

hihi

Пермутит *2Na+

Пермутит *Ca2+

Ca2+ + SO42-    ↔ 
+ 2Na+ + SO42-

        Пермутиттерді қолдану арқылы техникалық судың кермектігін жоюға болғанымен, судағы қалған катиондар мен аниондардан толық арылу мүмкін емес. Суды толық тазарту ісі тек соңғі кезде ғана  ион алмастырғыш заттардың пайда болуына байланысты дұрыс жалға қойылып, жүзеге аса бастады. Ион алмастырғвш заттарды иониттер деп атайды.Иониттерді жоғары молекулалық көмірсутекті тізбектен алынған полимер  құрамына ионогенді (SO3H, COOH, NH2) топтарды енгізу арқылы алады.Иониттердің бір түрі қышқылдық сипатта болады, яғни олардың беткі қабаты теріс зарядталғандықтан, олар сутек ионын кез келген  катионға алмастыра адсорбциялайды.

              Ұнтақталған катиониттер мен  аниониттер қабаттарынан әзірленген  сүзгіш арқылы  өткізілген техникалық  су, өзіндегі аниондары мен катиондарын ион алмастырғыш иониттерге беріп тазаланады. Осылайша тұщытылған су  өзінің тазалығы мен спасы жағынан қайнатып алынған судан кем түспейді. 

 

                    Хромотография.

 Хромотография – газ, бу не сұйық ерітілген заттар заттар қоспасын сорбциондық әдіспен бөлу. Хромотография сорбциондық процестерге негізделген, ол газдың не сұйықтың кеуекті сорбциондық орта (сорбенттеу) арқылы өтетін  сқйықтың салыстырмалы  қозғалысқа бағытталған жағдайда жүзеге асады. Қоспалар компоненттерінің сорбционы неғұрлым кем болса, ол қозғалыстағы фазаның(газ не сұйық)  топталған бағытына қарай соғұрлым (сорбент көлемінің бойына)  үлкен жылдамдықпен орын ауыстырады. Осының нәтижесінді компонеттер бөлінеді, ол заттарды жекелеп бөлуге және оларды анализдеуге  мүмкіндік туғызады.

Хромотография аналитикалық химияда, органикалық, органикалық емес қосылыстарды анализдеуге, заттарды бөлу және тазалату үшін химиялық техникада қолданылады. Хромотографияық конденсатор физика-химиялық универсалды аспап,  оны шамалы өзгертіп адсорбцияны, бу қысымын, қайнау темпиратурасын өлшеуде, физикалық өзгерістер мен беттестік құбылыстарды зерттеуде т.б. пайдаланады. Хромотографиялардың молекулалық және хемосорбциондық түрлері бар. Хромотографияда қосылстарды тиімдірек бөлу үшін электр өрісін(электр хр-я) немесе темпиратуралы өрістік(термохимия) пайдалану әдісін қолданады. Хромотография процесін жүргізудің бірнеше жолы бар, мысалы сарбит колонеасын, сүзгіш қағаз қолдану, газқоспаларын жіңішке капиляр арқылы өткізу. Газдар мен сұйықтың агрегаттық күйіне қарай газдар және сұйықтар хромотографиясы деп ажыратылады. Хромотографияның нгізгі  міндеті заттардың қосындыларын бөлу болғандықтан,хр-я анализі әр түрлі химиялық және физикалық әдістерінің сапа мен сан анализіне сай келеді.Осының тәтижесінде хромотографияның комплексті әдістері пайда болды.