КАТТЫ ДЕНЕ — СҰИЫК ЖАНАСУ ШЕГІНДЕГІ АДСОРБЦИЯ

Сұйық бетіндегі адсорбция құбылысына қарағанда, еріген зат-тардың қатты дене үстінде (бетінде) адсорбциялану процесі әлде-қайда күрделі екенін көптеген зерттеулер мен тәжірибелер дәлел-деп келеді. Қатты беттегі адсорбцияның жалпы теориясы әлі то-лық қалыптасқан жоқ. Мүндай теорияның күні бүгінге дейін пайда болмауы тек қатты денеден тұратын адсорбент бетінің күр-делі сипатта болуымен ғана емес, сондай-ақ еріген зат пен ерітін-дінің де бірдей адсорбциялануына орай, онан әрі күрделіленуіне де байланысты. Мұнан басқа еріген зат пен ерітінді молекулала-рыныд арасындағы өзара әрекеттесулерді де ескеру керек. Ал егер еріген зат күшті электролит болып және ондағы адсорбция құбы-лысы ионды сипатқа ауысса, онда бұл мәселе онан әрі күрделенеді.

Қатты дене — ерітінді жанасу шегіндегі адсорбцияның екі түрі бар: катты дене адсорбтивтің молекуласын адсорбциялайтын мо-лекулалық адсорбция немесе электролит еместердің адсорбция түрі және еріген электролиттердің бір ионын таңдап өзіне сіңіре-тін, адсорбциялайтын иондық адсорбция түрі. Енді осы екі адсорб-ция түрін қыскаша қарастырайық.

Ерітіндідегі молекулалық адсорбция. Ерітіндіде адсорбция про-цесі жүргенде еріген заттың молекуласымен қатар еріткіштііі

179

\

де молекуласы адсорбцияланады. Қатты адсорбенттің өзіне ерітін-діден еріген және еріткіш молеку-лаларын адсорбциялағандағы олардьщ шамасы, еріген заттьщ концентрациясы мен олардың ад-сорбциялайтын қабілетіне бай-ланысты.

Ерітіндідегі молекулалық ад-сорбцияньщ изотермасы 42-сурет-«^сурет те кескінделген. Оның абсцисса осіне адсорбцияға дейінгі еріген

заттың концентрациясы, ал ордината осіне меншікті адсорбция мә-ні қойылған: ((С₀ — С)/т). С₀ — адсорбцияға дейінгі еріген заттың концентрациясы, С — адсорбциядан кейінгі заттың концентрация-сы, т — адсорбенттің концентрациясы. Осы суреттен байқалып тұрғандай, әуелі ерітіндідегі онық концентрациясы асқан сайын меншікті адсорбция өседі. Сонан сон, еріткіш молекуласының ад-сорбциясы басымырақ болғандықтан, еріген заттың концентрация-сы артып, меншікті адсорбцияны сипаттайтын бөлшектің мәні те-ріс мән кабылдайды, өйткені С₀— С<0, яғни адсорбцияға дейінгі және кейінгі концентрация мәні нөлден кіші. Сондықтан да ерітін-дідегі адсорбция ерітінді концентрациясы төмен кезде толық жү-реді.

П. А. Ребиндер полюстілікті теңестіру ережесін ұсынды: егер берілген С затынық полюстілігі (Е_с ) диэлектрлік өткізгіштікпен сипатталып, оныц мәні А жэне В заттары полюстілігінщ аралы-ғында болса, одна адсорбция жүреді, яғни Е_А >Е_С >Е_В немесе Е <Е <£ øарты орындалғанда адсорбция құбылысы болады екен. Берілген заттың полюстілігі ерітіндідегі еріген зат пен еріт-кіш полюстілігінің араларында болса, онда әуелгі берілген зат осы ерітіндіде адсорбцияланады. Мысалы, анилиннің судағы ерітінді-сін алайық. Бұл ерітіндідегі судың диэлектрлік өткізгіштігі Е = 80, ал онда еріген анилиндікі Е = 7,3. Енді осы ерітіндіге үшінші зат толуолды қоссақ (Е = 2,4), онда БАЗ пайда болады. Мұны жоға-рыдағы ереже бойынша (80>7,3>2,4 не 2,4<7,3<80) жазып, ани-линнің жақсы адсорбцияланатынын байқау қиын емес. Ал кәдімгі ауаньщ диэлектрлік өткізгіштігі Е=1 болғандықтан, судағы толу-

•ол ерітіндісінде толуол жақсы адсорбцияланады, өйткені Ребин-дер ережесіне орай 80>2,4>1.

Полюстілікті теңестіру ережесіне сүйене отырып, еритін зат пен еріткіш полюстіліктерінің айырмасы артық болған сайын, яғни еритін заттың ерігіштігі төмен болған сайын, ол жаксы адсорбция-ланады деген қорытынды жасауға болады. Сол сияқты полюстілік-ті теңестіру ережесіне негіздей отырып, қатты дене —сүйык, жа-насу шегіне орналасқан БАЗ молекулаларының бағытталу ретін, бағытын түсіндіруге болады. Мұндай системаларда БАЗ-дың полюсті бөлігі полюсті фазаға, ал оның полюссіз бөлігі полюссіз

•фазаға бағытталады. Мысалы, БАЗ ерітінділерін активтелген кө-

180

6666

оу

оо

5ензо/І

43-сурет

мір не силикагель сияқты заттармен адсорбциялағанда, ондағы молекулалар өз полюстілігін фаза полюстілігіне бағыттайды екен, ол 43-суретте көрсетілген. Ондағы гидрофобты (полюссіз) фаза — активтелген көмірге, ал гидрофилді (полюсті) бөлігі суға қарай бағытталған (43, а-сурет). Ал енді полюссіз ерітіндіден силикагель арқылы адсорбциялағанда, онда еріген БАЗ молекуласының по-люсті (гидрофилді) бөлігі силикагельге, ал полюссіз (гидрофобты) бөлігі бензолға бағытталады (43, б-сурет).

Қатты адсорбентте адсорбцияныд үш түрі кездесуі мүмкін: оң адсорбция, мұнда адсорбент бетіне (үстіне) еріткіштен гөрі, онда еріген зат көбірек адсорбцияланады; теріс адсорбцияда еріген зат-тан гөрі еріткіш артық адсорбцияланады; ал еріген заттың кон-центрациясы ерітінді көлемінде де, адсорбент үстінде де бірдей болса, онда адсорбция болмайды. Әрине, бұл үш түрлі жағдайда кездесетін адсорбцияның арасындағы оң адсорбцияның қолданыл-малық мәні, орны ерекше.

Жалпы алғанда адсорбцияньщ жылдамдығы өте жоғары бола-ды, әйтсе де мұны қатты адсорбент арқылы жүргізгенде, еріген зат молекулаларының диффузиялануы нәтижесінде оның жылдам-дығы біршама шектеліп төмендей түседі. Сондай-ақ, мысалы ак-тивтелген көмір секілді аса үнтақты әрі борпылдақ келетін заттар-ды адсорбент ретінде пайдаланғанда, адсорбциялық тепе-теңдік бірден орнамайды. Әдетте, қолданылмалық жағдайдағы мұндай адсорбциялық құбылыстың тепе-теңдік орнауьш тездету мақсаты-мен оны тез және тоқтаусыз араластырады.

Қайсыбір еріген заттардың адсорбцияланғыштығына олардың табиғатымен қатар адсорбент пен еріткіштің де үлкен ықпалы бар. Бұл мәселені кезінде көптеген ғалымдар зерттеген. Енді осы реттегі адсорбцияның қатты денедегі беткі қабатының қасиеті мен еріткіш табиғатына тәуелділігін қарастырайық. Мұндайда жұғу немесе жұғысу кабілеті мен қасиеттерін ерекше айтқан жөн. Егер қатты бетке судьщ бір тамшысын тамызса, онда үш түрлі жағдай болуы мүмкін: түскен тамшы жайылып кетеді; тамшы дөңгелек күйінде қалады; тамған тамшы жартылай жайылады (44-сурет).

181

44-сурет

Егер қатты бетке тамған тамшы жайылып кететін болса, онда сұйық берілген бетке жұғады дейді. Сұйықтың теп-тегіс (жылтыр) бетке жұғу дәрежесін бұрыш немесе шеттік бұрыш (а) шамасы-мен анықтайды (44-сурет). Осы бұрыштың шамасы артқан сайын жұғысу дәрежесі көбейеді. Мұндайда сұйық ішіндегі когезия күші-нен гөрі сұйық пен адсорбент молекулаларының арасындағы ад-гезия күші басым болады. Егер шеттік бұрыш доғал (3), яғни осы бұрыштың косинусы теріс мәнде болса, ондайда жұғу құбылысы болмайды, мұнда адгезия күші когезия күшінен кем.

Ребиндердің үсынысына орай су жақсы жұғатын қатты беттер гидрофилді, ал жұқпайтындар гидрофобты деп аталады. Көмірсу-текті қосылыс секілді гидрофобты заттар жақсы жұғысатын бол-ғандықтан, оларды кейде олеофилді беттер деп те атайды. Қатты адсорбенттердің еріген заттарды адсорбциялауы мына ережеге ба-ғынады: еріткіш адсорбент бетіне жақсы жұғысқан сайын, осы беттегі берілген еріткіште еріген зат молекулаларыньщ адсорбция-сы аз жэне еріткіш қатты бетке нашар жұщса, онда осы беттегі еріген зат молекулаларының адсорбция шамасы аса үлкен мэнде бола бермейді.

Егер еріткіш қатты адсорбент бетіне жақсы жұғатын болса, онда ол әлгі сұйықтың керілу бетін төмендетеді, демек, адсорбент бетінде еріткіш молекулаларын адсорбциялайтын қабат пайда болады. Сонда қатты адсорбент бетінде еріген заттың молекулала-рына арналған орын аз қалады немесе мүлдем қалмауы да мүм-кга. Мұндай қатты адсорбент бетіне еріткіш жүқпайтын жағдайда еріткіш бос күйінде қалып, осы бетке еріген зат молекулалары ад-сорбцияланады.

Қатты адсорбентке сұйық зат адсорбцияланған кезде жылу бөлінеді. Берілген сұйықтың 1 г үнтақталған борпылдак адсор-бентке адсорбцияланғанда бөлетін жылу шамасын жұғу жылуы деп атайды. Осы жылу берілген сұйықтың адсорбентпен адсорб-циялану интенсивтілігіне байланысты болғандықтан, жүгу жылуы-ның мөлшеріне орай сіңіретін заттың адсорбциялау қабілеті бай-қалады.

Көптеген зерттеулер көрсетіп отырғандай, катты адсорбент бетінің табиғатын өзгертуге болады екен. Айталық гидрофилді бет-ті гидрофобтыға, ал гидрофобтыны гидрофилдіге айналдыру қажет делік. Ол үшін қатты адсорбент бетіне, мысалы қаныққан карбон қышқылы, сабьш сияқты БАЗ ерітінділерін пайдаланып, жаңа са-

182

падары адсорбциялық кабат тудырады. Егер қатты адсорбенттің гидрофилді бетін каныққан карбон қышқылының ерітіндісімен еңдесе, онда ол гдирофобты болады. Мұндайда гидрофилді бетке кышқыл молекуласының гидрофилді бөлігі бағытталып, ал оның екінші гидрсфобты бөлігі ауаға бағытталады. Сонда қатты адсор-бент беті гидрофобты қабатпен қапталады да, сумен жұғыспайды. Оған тамған су тамшысы доғал шеттік бұрыш құрап, бет сипаты-ның керісіншеөзгергендігін көрсетеді.