Адсорбция

АДСОРБЦИЯ

БЕТКІ КАБАТТАҒЫ  БОС ЭНЕРГИЯ. БЕТКІ ҚАБАТТАҒЫ КЕРІЛІС

Екі немесе бірнеше заттардың ұсақ бөлшектершен тұратын дисперстік жүйелердің беткі қабатындағы жүретін құбылыстардың осы жүйелер үшін ерекше маңызы бар. Бұл құбылыстар осы жүйенің құрамындағы заттардың табиғатына және беткі қабаттың мөлшеріне тікелей байланысты. Адам организмінде бұл жүйелердің фазалары сияқты бір-бірімен жанасқан көптеген қабаттарды мысалға-келтіруге болады. Қан тамырларының қабырғалары, клетканың беткі кабаты, клетка ядросының кабаттары, протоп-лазманың коллоидты бөлшектерінен бастап, адам организмінің өзін қоршаған ортамен қатынасын да осы беткі қабаттардың бірімен-бірінің байланысы деп қарастыруға болады.     

Мысалы, адам қанының қызыл қан түйіршігі — эритроциттің беткі қабатын алайық. Эритроциттің организмінде тканьдерге, клеткаларға аминқышқылдар сияқты көптеген заттарды тасымалдайтындығы белгілі. Ересек кісінің бір мл қанында эритроцит саны 5 млн. жетеді. Ёгер әрбір эритроциттің диаметрі 7—8 мк болса, адам канындағы барлық эритроциттің алатын ауданы 3200 кв м теқ болады екен. Коллоидты ерітінділер жоғары дисперс жүиелерге жатады да, олардың беткі қабатының алатын ауданы айтарлықтай болады.

Енді екі бөлімнің жанасу беті деген  не?

Гомогенді фаза ішіндегі молекула өзін қоршаған молекулалармен бірдей керілісте болады, ал егер осы молбкула фазалардың жанасу бетінде жақын орналасса, өзін қоршаған молекулалармен жоғарыда айтылғандай бірдей керілісте бола алмайды.

Мысалы, сұйық пен газдың жанасу беткейін қарастырайық. Газда молекулалар концентрациясы, сұйықтықтағы молекулалар концентрациясына қарағанда аз болғандықтан, газдағы молекулалардың бір-бірімен керіліс күшін ескермеуге де болады. Мұндай жағдайда 3 түрлі ерекшелік болуы

мүмкін:

а)   Жанасу бетінде яғни сыртқы қабатта орналасқан молекулаларда тек сұйықтық ішіне бағытталған керіліс күштері ғана әсер етеді.

б)   Жанасу бетіне жақын орналасқан молекулаларда керіліс күші жоғарыда айтылған жағдайға қарағанда әлсіз.

в)   Сұйықтың ішіндегі молекулалардың, басқа молекулалармен күші бірдей.

 

Молекула бірінші (а) жағдайда тепе-теңдік күйінде бола алмайды да, сұйықтық ішіне- қарай керіліс күші артады, соның арқасында беткі кабаттағы молекулалар осы молекулалармен катар жаткан молекулаларға жақыңдайды. Ал бұл құбылыс беткі қабаттағы керіліс күшінің артуына әкеп соқтырады, беткі кабаттағы молекулалар- біріне-бірі жақын орналасады.     Сондықтан:     а)     беткі     қабатта     өзінің беріктілігіменанықталатын жұка қабыршақ пайда болады;

б) беткі кабаттың ауданының  кішіреюіне әкеп соқтырады. Беткі кабаттағы молекулалар саны көп болғаңдықтан жұмсалынбай қалған керіліс күштерінің арқасында беткі қабаттың еркін энергиясы деп аталатын энергияға ие болады. Беткі қабаттағы еркін энергия Q бет деп белгіленіп, оның шамасы, Q бет = О   o*S тең болады; мұндағы 5 — беткі кабаттың ауданы, ал o — беткі қабаттың тартылуы, яғни бұл энергия беткейді 1 кв см ұлғайтуға жұмсалатын жұмысты   көрсетеді.   Оның   мөлшері   дин/кв.   см.   Осы көрсетілген тендеуге сәйкес С мәнінің азаюын еқі жолмен түсіндіруге болады: 1) фазаларды бөлуші қабаттың азаюымен (S); 2) беткі қабаттың керіліс күшінің азаюымен (о). Таза заттар үшін беткі кабаттың бос энергиясынын азаюының бірден-бірі мүмкіндігі беткі кабаттың кішіреюіне байланысты,   себебі  беткі   керіліс  күші   заттың  табиғаты байланысты және О тұрақты шама. Сонымен min S тең-беткі қабаты бар заттарға шарды алуға болады.

Әрбір таза сүйықтыққа беткі  керіліс қалыпты болады да, ол мына төмеңде көрсетілген жағдайларға тәуелді болады:                                                     

а) сұйықтықтың табиғатрна; б) температурасына; в) беткі жеріліс күшінің өзгеруіне жүйелерге басқа ерітіндінің косылуы да әсер етеді:

СТНгО = 73дин/кв см ;                                      

О қан сарысуы = 46,5 дин/кв см;

О спирт =2 дин/кв см;

О эфйр = 16 дин/кв см;

О май қышқ.= 27 дин/кв см.

Беткі қабаттағы еріген заттың концентрациясының  артуы немесе кемуі оның бос энергиясының өзгеруіне әкеп соқтырады. Еріген заттың беткі қабатта жиналуын адсорбция деп атайды. Адсорбция дегеніміз О азаюына байланысты беткі щабаттың бос энергиясының кемуіне әкеп соқтырапіын термодинамикалык, өздігінен журетін процесс. Беткі қабаттағы керілістің өзгеруіне еріген заттың концёңтрациясы әсер етеді. Егер үстіңгі қабаттағы заттың концентрацйясы, сүйықтықтың ішкі кабатындағы концентрациясыңан жоғары болса, беткі керіліс төмеңдейді.

Үстіңгі кабаттың керіліс күшін  төмендететін заттарды беткейлік активті  заттар (БАЗ) деп, ал көбейтетін заттарды беткейлік активті емес заттар (БАЕЗ) деп атайды.

Беткейлік активті заттардың қатарына спирт, альдегид, карбон қышқылдары, белок, сабын т.б. жатқызуға болады.

Беткейлік активсіз заттардың  қатарына қант, глицерин, көптеғен бейорганикалық заттар жатады. а мәнінің С мэніне тәуелділігін төмендегідейграфик түрінде көрсетуге болады.

Сүйық беткейдегі адсорбция

Термодинамиканың 2-ші заңы бойынша беткейдегі бос энергия  тіп болуға тырысады. Таза еріткіштің беттік энер-гиясының кемуі жанасу бтінің өзгеруіне тәуелді болады. Ал ерітінділердің беткейлік энергиясының кемуі немесе артуы заттың сүйықтық бетіндегі концентрациясының өзгеруіне сәйкес өзгереді. Ерітіндіде әлде бір зат еріген кезде 3 түрлі жағдай болуы мүмкін: 1) еріген зат беттік керілісті өзгертпейді; 2) еріген зат беттік қерілісті арттырады; 3) еріген зат беттік керілісті төмендетеді.

 

Беткейлік активті заттар бар ерітіндідердің О төмендеуі, осы заттардті ерітінді. бетінде концентрациясының артуымен, яғни адсорбциямен түсіндіріледі.

-  1878 жылы америка ғалымы Гиббстың дәлелдеуі бойынша еріген зат сүйык бойымен беттік керілісінің шамасы ең төмен болатындай етіп, тарайды. Гиббс концентрацияға (С) байланысты адсорбция (Г) мен беттік керіліс а өзгерісі арасындағы тэуелділікті көрсететін теңдеуді есептеп шығарды:

— здсорбцияланған заттың мөлшері моль кв. см;

R— газ тұрақтысы, 8,313 107 эрг/моль. град; Г — абсолюттік температура, К; С — концентрация, моль/л; О — беттік керіліс, эрг/кв, см. Гиббстің бұл теңдеуі бойынша, егер болса, онда беттік көлемге қарағанда заттың мөлшері көп, адсорбция оң болғаны, яғни Г > О. Барлық бетті» активті зарттарға тән ерекшелік, олардың молекуласы

екі башмнен тұрады: гидрофиддік топ

 

және полюссыз текті  радикалдан: полюсті гидрофилді топтың днполь моментінің мәні жоғар болады да, беттік активті заттардың еуға қатынасы осы топпен аныкталады.

Беттік активті заттар сумен әрекеттескен кезде, өзініц гидрофилді тобымен суға батады да, гидрофобты тобы судың бетінде қалады, яғни «қалқып» жүреді. Судың беттік активті заттарынын гвдрофобты бөлімін өзінен игеру нәтижесінде, олардың сұйықтық бетінде жинақталуы байқалады. Жаса-лынған тәжрибелерде көміртекті радикал неғүрлым ұзын көміртегі тізбегінен түрса, соғұрлым суда нашар ериді, яғниі оның адсорбңиялануы жоғары. Беттік активті заттардың жоғарғы қабатында жиналуы нәтижесінде ерітіндідегі беттік керіліс о төмеңдейді. Сонымен беттік активтілік, яғни заттардың адсорбциялануы, олардың құрамындағы полюсті топтардың табиғатына, молекулалардың кұрылысына және көміртекті тізбектің ұзындығына тәуелді.

Көміртекті  тізбек неғұрлым узын болса, соғұрлым заттардың ерігіштігі нашар болады. Май қышқылдарының судағы ерітіндісінің беттік керілісін зерттеу, олардың қүра-мындағы көміртекті тізбектін әрбір — СШ— тобына өсуі, май қышқыддарының адсорбциялануын 3,2 есеге арттыратындығын көрсетті. Бұл заңдылық Дюкло-Траубе ережесі деп аталады.

 

Қатты денелердің бетіндегі адсорбция

1777 жылы Италия ғалымы Ф. Фонтана  ағаш көміріне газдардың адсорбцияланатындығына ең алғаш рет көңіл

Жоғарыда айтып өткендей хроматографиялық әдістің 4 түрі бар: 1) адсорбциялық (молекулалық); 2) ионалмасу-шылық, (гемосорбадия, лимфосорбция); 3) үйлестірушілік; 4) гель — хроматография.

Адсорбциялық  хроматография

Адсорбциялық хроматография  әдісі арқылы заттарды бірінен-бірін  ажырату, олардың әртүрлі адсорбциялануына және қозғалу жылдамдығының түрліше болуына негізделген. Адсорбент ретінде АігОз, СаСОз, М§0. қант, крахмал қолданылады. Осы адсорбенттердің бірімен шыны түтік толтырылып, түтік арқылы бірнеше заттардың қоспаларынан тұратын зерттелушы еріітінді өткізіледі. Ажыратылуға тиісті заттардың адсорбциялау қабілеті әртүрлі болғандықтан бұл заттар түтік бағаңасын бойлай, бірінен-бірі әртүрлі қашықтықта орналасады.

Адсорбент бар вдыны  түтіктің жоғары жағыңда адсорбциялануы күшті заттар, одан әрі адсорбиялануы одаң төменірек, әрі қарай адсорбиялаңуы өте төмен зат орналасады. Егерде қоспа қүрайтын заттардың түсі әртүрлі болса, оларды шыны түтік бағанасы бойында түсті зоналардың . пайда болуы арқылы көруге болады (СоСІ2, СиСL3, ҒеСІз) Мұны хроматограмма деп атайды. Осылай бірінен-бірі бөлінген заттарды таза күйінде бөліп алу үшін адсорбент бағанасын шыны түтіктен ақырын ғана итеріп шығарып, зона-зона бойынша кесіп алады. Сонан соң әрбір зонадан адсорбцияланған затты, сол затқа лайық еріткіш (экстрагент) арқылы бөліп алады.

Бұл заттарды бөліп алудың тағы бір жолы бар. Ол үшін адсорбцияланған заттарды, шыны түтіктен әдейі іріктеп алынған еріткіш арқылы ерітіп алады. Цвет, осы өзі ашқан хроматографиялық әдіске сүйеие отырып, жапырақтың жасыл пигмеиті 4 түрлі компоненттен түратындығын анықтады:

а) хлорофилл «а»; б) хлорофилл «б»; в) ксантофилл; г) каротин.