Сорбция – процесс
самопроизвольного поглощения твердым
телом или жидкостью веществ из окружающей
среды; гетерогенный процесс, протекающий
на границе раздела фаз (ТВ – газ, ж –
газ, ж – ж). Вещество, которое поглощает
называется сорбентом, поглощаемое
вещество – сорбатом. В большинстве
случаев сорбция – обратный процесс:
наряду с поглощением вещества протекает
обратный процесс его десорбции сорбента
в окружающую среду.
Сорбент + сорбат
↔(сорбция, десорбция) сорбционный
комплекс
При сорбции вещества
с течением времени устанавливается
равновесие, которое соответствует
равенству скорости сорбции и десорбции.
Количественно достигаемое равновесие
характеризуется константой сорбционного
равновесия. Сорбция, которая сопровождается
диффузией вещества вглубь сорбента
называется абсорбцией, а сорбция, которая
сопровождается концентрированием
вещества на поверхности сорбента –
адсорбцией.
Абсорбция играет
важную роль в обмене веществ, в частности
в газообмене с окружающей седой. В
качестве сорбента выступает жидкая
фаза, в которой происходит растворение
газов, либо между двумя несмешивающимися
жидкостями происходит перераспределение
вещества. Абсорбционное равновесие
характеризуется константой распределения,
где С1 и
С2
соответствуют константе вещества в
абсорбенте и в окружающей среде.
К распр = С1/С2
Значение К распр
зависит от природы контактирующих фаз
и температуры. В целом выполняется
правило: подобное растворяется в
подобном, т е полярные вещества будут
лучше растворяться в полярных
растворителях, а неполярные – в неполярных
(HCI;
NH3
– очень
хорошо растворяются в воде, неполярный
кислород хорошо растворяется в
перфтордекалине C10F22,
J2в
CCI4).
Если К распр намного больше 1, то
сорбируемое вещество преимущественно
переходит в абсорбент; если намного
меньше 1, то практически не сорбируется.
Если извлекаемое вещество газ, то его
абсорбция сопровождается резким
уменьшением объема системы, что в
соответствии с принципом Ле-Шателье
означает: растворимость газов возрастает
с увеличением порциального давления
(закон Генри)
С = КгР (х)
Кг – константа Генри
(константа абсорбционного равновесия);
С – концентрация газа в жидкости
(моль/л); Р – порциональное давление
газа х.
Увеличение
растворимости газов с ростом давления
объясняет кессонную болезнь водолазов,
летчиков, которая наблюдается при
переходе человека из области высокого
давления в область низкого. Количественно
абсорбция газов жидкости характеризуется
коэффициентом абсорбции – объем газов,
который при стандартных условиях может
быть поглощен одним объемом жидкости.
Если абсорбция сопровождается химическим
взаимодействием с растворителем, то
коэффициент абсорбции резко возрастает,
азот – 0,024 – в 1 л воды растворяется 24
мл азота, кислород – 0,05, SO2
– 80, HCI
– 500, NH3
– 1300. При хемосорбции резко изменятся
химический состав абсорбента (при
растворении SO2
и NO2
в воде
увеличивается кислотность среды). S O2
+ H2O
↔ H2SO3
↔ 2H+
+ SO32-
2NO2
+ H2O
↔ HNO3
+ HNO2
↔ 2H+ + NO2-
+ NO3-
При растворении
аммиака повышается щелочность растворов
NH3
+ H2O
↔ NH4OH
↔ OH-
+ NH4+
В присутствии
электролитов растворимость газов в
жидкостях резко уменьшается (высаливание
– закон Сеченова)
Адсорбция: в отличие
от абсорбции адсорбция связана с
поглощением вещества на поверхности
раздела контактирующих фаз. При адсорбции
различают адсорбент – вещество, на
поверхности которого протекает адсорбция
и адсорбат – компонент, который
концентрируется на поверхности
адсорбента. Адсорбция бывает:
Физическая –
обусловлена силами межмолекулярного
взаимодействия и образования Н связей
(Э = 4-40 кДж/моль). Благодаря незначительной
энергии физическая адсорбция всегда
обратима и сопровождается экзотермичностью.
Химическая – не
обратима, связана с химическим
взаимодействием адсорбента и адсорбата
(Эсв = 400 кДж/моль).
На практике чаще
всего используют для поглощения газов,
паров, растворимых веществ – твердые
адсорбенты (сажа, активированный уголь,
аморфный SiO2,
Al2O3
и т д). количественно адсорбция
характеризуется удельной адсорбцией
Г – равновесное количество поглощаемого
вещества на единицу поверхности или
массы твердого адсорбента
Адсорбция – чисто
поверхностный процесс – молекулы
сорбируемого вещества покрывают
поверхность адсорбента мономолекулярным
слоем. Сорбция протекает на активных
центрах сорбента: выступах, впадинах,
капиллярах, трещинах, ребрах, углах –
для кристаллических сорбентов.
Количество поглощаемого
газа или пара в твердых сорбентах зависит
от следующих факторов: природы и площади
поверхности сорбента, природы поглощаемого
газа или пара, концентрации или плотности
газа (пара). Для кристаллической сорбции
удельная поверхность составляет до
10м2.
У пористых сорбентов удельная поверхность
может достигать 103,
105
м2/г.
Чем больше удельная поверхность, тем
активнее сорбент. Сорбируемость газа
или пара определяется его сродством к
поверхности сорбента: полярные молекулы
лучше сорбируются на полярных сорбентах
(пары воды поглощаются силикогелем SiO2
); неполярные вещества на неполярные
сорбенты (масла активируемым углем).
При физической адсорбции многокомпонентной
газовой смеси лучше сорбируется тот
газ, который легче сжимается (повышение
температуры кипения). Т к физическая
сорбция – экзотермический процесс, то
с ростом температуры в соответствии с
принципом Ле-Шателье эффективность
адсорбции резко уменьшается. Зависимость
удельной адсорбции от концентрации
(давления) описывается изотермой
Ленгвьюра
Г = Г бесконеч * КС/
1+КС, Г = альфа * с / 1 + ветта*с, где
Г бесконеч –
максимальная удельная адсорбция, К –
константа сорбционного равновесия, С
– равновесная концентрация, установившаяся
в растворе.
Таким образом
изотерма Ленгвьюра имеет вид
1/Г = f
(1/c)
y
= kx
+ b
Соседние файлы в предмете Химия
Благодаря
поверхностному натяжению жидкость при
отсутствии внешних силовых воздействий
принимает форму шара, отвечающую
минимальной величине поверхности и,
следовательно, наименьшему значению
свободной поверхностной энергии. Одним
из путей понижения свободной поверхностной
энергии является сорбция.
Сорбция
(от лат. sorbeo – поглощаю) − поглощение
твёрдым телом или жидкостью вещества
из окружающей среды. Поглощающее тело
называется сорбентом, поглощаемое им
вещество − сорбатом (или сорбтивом).
Различают поглощение вещества всей
массой жидкого сорбента – это
абсорбция;
поверхностным слоем твёрдого или жидкого
сорбента − это адсорбция.
Абсорбция
− поглощение веществ из газовой смеси
жидкостями. В технике абсорбция обычно
пользуется для извлечения из газовой
смеси какого-либо компонента. Абсорбция
улучшается с повышением давления и
понижением температуры.
Адсорбция
− процесс концентрирования вещества
из объема фаз на границе их раздела.
Адсорбент
– вещество, способное адсорбировать
другое вещество. Адсорбтив – вещество,
которое может адсорбироваться. Адсорбат
– адсорбированное вещество.
Процесс
адсорбции является избирательным и
обратимым. Адсорбция из растворов
на твердом теле (имеющая поверхность
раздела) бывает двух видов:
Десорбция
− удаление адсорбированного вещества
с поверхности адсорбента. Десорбция
обратна адсорбции и происходит при
уменьшении концентрации адсорбируемого
вещества в среде, окружающей адсорбент.
Различают
два вида адсорбции – физическая и
химическая адсорбция.
Физическая адсорбция вызвана Ван – дер
– ваальсовыми силами взаимодействия
между молекулами адсорбата и адсорбента.
Эти силы невелики и поэтому теплота
физической адсорбции составляет ~ 10 –
30 кДж/моль. Химическая адсорбция, или
хемосорбция, обязана химической связи,
возникающей между адсорбатом и
адсорбентом. При этом образуются
поверхностные соединения. Теплота
хемосорбции составляет ~ 100 – 400 кДж/моль,
а сам процесс хемосорбции носит
активационный характер. Молекулы
адсорбата и адсорбента должны обладать
энергией, которая превышает некоторое
пороговое значение (энергия активации).
Энергетические характеристики этих
двух видов адсорбции и обуславливают
их основные отличия
42)Понятие о вторичной структуре днк. Комплементарность нуклеиновых оснований. Водородные связи в комплементарных парах нуклеиновых оснований.
Под
вторичной структурой понимают
пространственную организацию
полинуклеотидной цепи. Согласно модели
Уотсона-Крика молекула ДНК состоит из
двух полинуклеотидных цепей,
правозакрученных вокруг общей оси с
образованием двойной спирали.
Пуриновые
и пиримидиновые основания направлены
внутрь спирали. Между пуриновым основанием
одной цепи и пиримидиновым основанием
другой цепи возникают водородные связи.
Эти основания составляют комплементарные
пары.
Водородные
связи между комплементарными основаниями
– один из видов взаимодействий,
стабилизирующих двойную спираль. Две
цепи ДНК, образующие двойную спираль,
не идентичны, но комплементарны между
собой. Это означает, что первичная
структура, т.е. нуклеотидная
последовательность, одной цепи
предопределяет первичную структуру
второй цепи.
Комплементарность
цепей и последовательность звеньев
составляют химическую основу важнейшей
функции ДНК – хранения и передачи
наследственной информации.
В
стабилизации молекулы ДНК наряду с
водородными связями, действующими
поперек спирали, большую роль играют
межмолекулярные взаимодействия,
направленные вдоль спирали между
соседними пространственно сближенными
азотистыми основаниями. Поскольку эти
взаимодействия направлены вдоль стопки
азотистых оснований молекулы ДНК, их
называют стэкинг-взаимодействиями.
Таким образом, взаимодействия азотистых
оснований между собой скрепляют двойную
спираль молекулы ДНК и вдоль, и поперек
ее оси.
Для разделения
однородных и неоднородных систем
используют сорбционные процессы,
основанные на явлении сорбции. Сорбция
– любой процесс поглощения одного
вещества (сорбтива) другим (сорбентом).
В зависимости от механизма поглощения
различают абсорбцию, десорбцию, адсорбцию.
Абсорбция – процесс поглощения
одного вещества другим во всем объеме
сорбента. Примером может служить
растворение газов в жидкостях. Поглощаемое
вещество в этом процессе называют
абсорбатом, а поглощающее абсорбентом.
Обратный процесс –
выделение сорбата из сорбента называется
десорбцией. Если между веществами
происходит химическое взаимодействие,
то процесс называется хемосорбцией.
Процессы абсорбции широко распространены
в пищевой и химической промышленности.
Так, при получении важных химических
продуктов (соляной, серной кислоты и
др.) процесс абсорбции является основной
технологической стадией производства.
В пищевой промышленности
углекислым газом насыщают безалкогольные
напитки, пиво и некоторые сорта вин. В
спиртовом и винодельческом производствах
из газов, выделяемых при брожении,
улавливают спиртовые пары путем
поглощения их водой.
В крахмальном
производстве полученный из сернистого
газа раствор используют для замочки
кукурузы, а в свеклосахарном производстве
сахарный раствор обрабатывают углекислым
газом, а затем полученный сироп –
сернистым газом. Растворимость газов
в жидкостях зависит от свойств газа и
жидкости, от температуры и парционального
давления растворяющегося газа (компонента)
в газовой смеси. Абсорбция осуществляется
в массообменных аппаратах, в которых
абсорбент и абсорбат приводят в тесный
контакт.
Основные типы
абсорберов по конструктивным принципам
следующие: поверхностные, барботажные
(колокольные и тарелочные), пленочные
(каскадные, трубчатые, насадочные),
механические, распылительные.
Адсорбция – процесс
избирательного выделения одного или
нескольких компонентов из газовой,
парогазовой или жидкой смеси и
концентрирования их на поверхности
твердого пористого тела (адсорбента),
поглощаемое вещество называется
адсорбтивом, оно же в концентрированном
виде на поверхности адсорбента –
адсорбатом.
Процессы адсорбции
являются избирательными и обратимыми.
Это значит, что каждый поглотитель
обладает способностью поглощать лишь
определенные вещества и не поглощает
(или почти не поглощает) другие вещества,
содержащиеся в газовой смеси или
растворе. Поглощенное же вещество всегда
может быть выделено из поглотителя
путем десорбции. Для того чтобы процесс
был эффективным, активная поверхность
адсорбента должна быть велика.
В пищевых производствах
наиболее распространенными адсорбентами
являются активные угли, силикагели
(гель кремниевой кислоты), алюмогели
(гидроокись алюминия), цеолиты, глины и
другие природные адсорбенты.
Активные угли получают
при сухой перегонке углесодержащих
веществ (дерево, торф, кости и др.) при
последующем прокаливании углей при
температурах свыше +900 °С.
В спиртовом и
ликеро-водочном производствах используют
активные угли растительного происхождения
(березовый БАУ, буковый). Их применяют
для извлечения из сортировки (смесь
спирта с водой) и спирта-ректификата
альдегидов, сложных эфиров, кетонов,
карбоновых кислот и высокомолекулярных
веществ (сивушных масел). Уголь извлекает
глюкозу и фруктозу из некоторых сортов
водки.
Активный уголь
используют для осветления пива и
фруктовых соков. Для обесцвечивания
сахарных сиропов применяют активный
уголь, полученный на базе костяного
угля. Мелкозернистым углем деколар
обесцвечивают сахарные сиропы, коньяки,
вина, фруктовые соки, эфирные масла,
желатин. В ряде случаев одновременно с
обесцвечиванием происходит удаление
запаха, привкуса, коллоидных и других
примесей.
Силикагель используют
в основном для поглощения влаги (например,
для осушения газов), а также для осветления
пива и фруктовых соков. Достоинствами
силикагелей является негорючесть и
большая механическая прочность в
сравнении с активными углями.
В промышленности
применяют цеолиты (природные или
синтетические минералы) – алюмосиликаты
натрия, калия, магния, кальция. Используют
в основном искусственно приготовленные
цеолиты. Они характеризуются высокой
поглотительной способностью по отношению
к воде и применяются для глубокой осушки
газов перед ожижением.
В качестве адсорбентов
используют иониты (аниониты и катеониты)
– глинистые минералы, ископаемые угли,
плавленые цеолиты, ионообменные смолы.
Иониты необходимы для извлечения малых
количеств веществ, растворимых в воде,
при получении чистой обессоленной воды
и др.
Глинистые материалы
применяют в основном для очистки
различных жидких сред от примесей. В
пищевой промышленности ими осветляют
вина, пиво, фруктовые соки, рафинированные
растительные масла, воду и др. Для
осветления пива используют бентонитовые
глины, для осветления и стабилизации
вин, ускорения срока созревания и
выдержки – натриевый бентонит.
Процессы адсорбции
проводятся в аппаратах периодического
действия (с неподвижным зернистым
адсорбентом) и аппаратах с движущимся
или кипящим (псевдоожиженным) слоем
адсорбента. Наибольшее распространение
имеют адсорберы с неподвижным слоем
поглотителя.
Для обработки жидких
систем с целью их обесцвечивания
применяют адсорбционные колонны, фильтры
и смесители.
Изотерма адсорбции
(англ. adsorption isotherm) — зависимость
количества адсорбированного вещества
(величины адсорбции) от парциального
давления этого вещества в газовой фазе
(или концентрации раствора) при постоянной
температуре.
Экспериментальные
изотермы адсорбции являются наиболее
распространенным способом описания
адсорбционных явлений. Методы получения
адсорбционных данных для построения
изотерм адсорбции основаны на измерении
количества газа (жидкости), удаленного
из газовой (жидкой) фазы при адсорбции,
а также на различных способах определения
количества адсорбата (адсорбированное
вещество) на поверхности адсорбента
(адсорбирующее вещество), например,
волюметрический метод, гравиметрический
метод и др.
Различают шесть
основных типов изотерм адсорбции (см.
рис.). Тип I характерен для микропористых
твердых тел с относительно малой долей
внешней поверхности. Тип II указывает
на полимолекулярную адсорбцию на
непористых или макропористых адсорбентах.
Тип III характерен для непористых сорбентов
с малой энергией взаимодействия
адсорбент-адсорбат. Типы IV и V аналогичны
типам II и III, но для пористых адсорбентов.
Изотермы типа VI характерны для непористых
адсорбентов с однородной поверхностью.
Изотермы адсорбции
используются для расчета удельной
поверхности материалов, среднего размера
пор или среднего размера нанесенных
частиц, распределения пор или частиц
по размерам.
Существует несколько
методов математического выражения
изотерм адсорбции, различающихся
моделями, использованными для описания
процесса адсорбции. При малых степенях
покрытия поверхности адсорбатом для
однородной поверхности уравнение
изотермы адсорбции имеет вид уравнения
Генри: a = Kp, где a — величина адсорбции,
p — давление газа, K — константа. При
средних степенях покрытия может быть
применено эмпирическое уравнение
Фрейндлиха: a = kpn, где k и n — константы.
Строгая теория изотермы
адсорбции была предложена И. Ленгмюром
для модели монослойной адсорбции на
однородной поверхности, в которой можно
пренебречь силами притяжения между
молекулами адсорбата и их подвижностью
вдоль поверхности. Уравнение изотермы
Ленгмюра имеет вид: a = ambp/(1 + bp), где b —
адсорбционный коэффициент, зависящий
от энергии адсорбции и температуры; am
— емкость монослоя.
Дальнейшее развитие
теории состояло в исключении того или
иного допущения, использованного
Ленгмюром. Так, С. Брунауэром, П. Эмметом
и Э. Теллером была предложена теория
полимолекулярной адсорбции (метод БЭТ);
Т. Хилл и Я. де Бур разработали теорию,
учитывающую взаимодействие между
адсорбированными молекулами.