Адсорбция твердым веществом из раствора электролита

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 8Следующая ⇒

В растворах электролитов молекулы растворенного вещества распадаются на положительно заряженные катионы и отрицательно заряженные анионы. На поверхности твердого сорбента из раствора адсорбируются преимущественно ионы одного вида, который определяется природой адсорбента и свойствами ионов: зарядом, радиусом и степенью гидратации. По механизму различают специфическую и обменную адсорбцию ионов.

Специфическая адсорбция. На поверхности твердой фазы адсорбируются ионы одного знака – потенциалопределяющий ион. Поверхность при этом приобретает электрический заряд. Вблизи поверхности под действием сил электростатического притяжения группируется эквивалентное число ионов с противоположным зарядом – противоионы, т.е. образуется двойной электрический слой. На поверхности кристаллического твердого тела из раствора электролита преимущественно адсорбируется ион, способный достраивать его кристаллическую решетку или образовывать с одним из ионов, входящих в состав кристалла, малорастворимое соединение (правило Фаянса–Панетта). На рис. 2.6 приведена схема образования двойного электрического слоя при сорбции катиона (а) и аниона (б). В первом случае поверхность заряжается положительно, потенциалопределяющий ион – катион, а во втором – отрицательно, потенциалопределяющий ион–анион.

а)

б)

Рис. 2.6. Схема образования двойного электрического слоя
при сорбции катиона (а) и аниона (б)

Обменная адсорбция. Происходит обмен ионов, содержащихся в растворе, и ионов поверхностного слоя твердой фазы. Адсорбент поглощает из раствора катионы или анионы и вместо них выделяет в раствор эквивалентное число других ионов того же знака.

Твердые вещества, способные к ионному обмену и используемые для адсорбции ионов из растворов, называются ионитами. Иониты могут быть органическими или неорганическими, синтетическими и природными. Ионит представляет собой жесткий каркас, имеющий положительный или отрицательный заряд, который скомпенсирован ионами противоположного знака. Противоионы могут замещаться на другие ионы того же знака. Иониты, обладающие катионообменными свойствами, называются катионитами, а обладающие анионообменными свойствами − анионитами. Как правило, катиониты используются в H-форме (про-тивоион – ион H⁺), а аниониты – в OH-форме (противоион –
ион OH^-).

Ионный обмен является обратимым стехиометрическим процессом: катионит R-O-H + Kt⁺ ↔ R-O-Kt + H⁺, анионит R-O-H + + An^– ↔ R-An + OH^–.

Величина прочности связи иона с ионитом зависит от природы иона. В частности, ионообменное равновесие при увеличении концентрации ионов H⁺ возвращает катионит в H-форму, а при увеличении концентрации OH^– ионов − анионит в OH-форму. Таким образом проводят регенерацию катионитов и анионитов. Обменная емкость ионитов, количество сорбированых ионов, составляет величину ~10^-3–10^-2 моль/г однозарядных ионов.

Иониты находят широкое применение для очистки воды от ионных примесей − деминерализация воды, например катионит марки КУ-2 и анионит марки АВ-17 (синтетические органические смолы с функциональными ионообменными группами).

Смачивание и адгезия

Смачивание − поверхностное явление, наблюдаемое при контакте жидкости с твердым телом в присутствии третьей фазы − газа или другой жидкости, которая не смешивается с первой. Характерной особенностью смачивания является наличие линии контакта трех фаз (линия смачивания). Смачивание определяет форму капли на твёрдой поверхности или форму газового пузырька, прилипшего к поверхности погруженного в жидкость тела, а также вызывает образование сферического мениска в капиллярной
трубке.

Мерой смачивания обычно служит величина краевого угла q между смачиваемой поверхностью и поверхностью жидкости (вершина угла находится на линии смачивания). Величиной q
оценивают лиофильность и лиофобность поверхностей по отношению к различным жидкостям. На лиофильной поверхности жидкость растекается частично – ограниченное смачивание
(0° < q < 90°) или полностью − жидкость образует пленку (q → 0°); на лиофобной растекания не происходит (q > 90°) (рис. 2.7).

Рис. 2.7. Растекание капли жидкости на поверхности твердого тела (а) и газовый пузырек в жидкости на поверхности твердого тела (б)

Смачивание определяется соотношением энергии связи частиц между собой внутри жидкой фазы − когезией и энергии связи частиц жидкой и твердой фаза − адгезией. Когезия (от лат. cohaesus − связанный, сцепленный) − сцепление частиц физического тела за счет образования между ними химических связей (ковалентной, ионной, межмолекулярного взаимодействия). Адгезия (от лат. adhaesio − прилипание) − сцепление поверхностей двух разнородных тел (твёрдых или жидких) при их контакте, главным образом за счет межмолекулярного взаимодействия поверхностных частиц фаз.

В случае лиофильной поверхности силы адгезии больше, чем силы когезии. Поверхностная энергия уменьшается с увеличением площади контакта жидкой и твердой фаз – жидкость растекается по поверхности. В случае лиофобной поверхности силы адгезии невелики. Поверхностная энергия уменьшается с сокращением площади контакта жидкой и твердой фазы – жидкость сохраняет сферическую форму (капля жидкости на поверхности твердого тела).

Краевой угол смачивания (q) определяется величинами поверхностного натяжения на границах соприкасающихся фаз «твердое тело–газ (σ _тг)», «твердое тело–жидкость (σ _тж)», «жидкость–газ (σ _жг)»: (уравнение Юнга).

Хорошая адгезия материалов играет важную роль при склеивании, паянии, сварке, лужении, при нанесении лакокрасочных полимерных покрытий и др. С другой стороны, адгезия вызывает повышенный износ трущихся деталей. Для ее устранения вводят слой смазки, препятствующий контакту поверхностей.

Капиллярные явления. Смачивание приводит к искривлению свободной поверхности жидкости в тонких трубках (капиллярах), форма поверхности которой близка к сферической (образуется мениск). В случае лиофильной поверхности капилляра происходит подъем жидкости, а в случае лиофобной поверхности − опускание. Высота подъёма (опускания) уровня жидкости в капилляре прямо пропорциональна поверхностному натяжению (σ ) и обратно
пропорциональна радиусу мениска (r) и плотности жидкости (ρ ) (рис. 2.8).

Капиллярные явления играют существенную роль в биологии, в частности в водоснабжении растений, передвижении влаги в почвах и других пористых телах.

Рис. 2.8. Поднятие жидкости смачивающей стенки капилляра (а)
и опускание жидкости, не смачивающей стенки капилляра (б)

Контрольные вопросы

1. Адсорбция поверхностью раствора − поверхностно активные вещества.

2. Адсорбция твердым веществом. Изотерма адсорбции Ленгмюра.

3. Специфическая и обменная адсорбция ионов.

4. Смачивание. Краевой угол смачивания.

5. Капиллярные явления.

Высокодисперсные системы

Дисперсные системы, в которых частицы дисперсной фазы имеют линейный размер l = 10^–9…10^–7 м (1…100 нм), называются коллоидными растворами или золями.

⇐ Предыдущая 123 4 5 6 7 8 Следующая ⇒