7-физико-хим. поверхност. явл

1
Тема: «ФИЗИКО-ХИМИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХЯВЛЕНИЙ. АДСОРБЦИЯ»
Поверхностные явления.Адсорбция.
Поверхностная энергия и поверхностное натяжение
Вследствие
нескомпенсированности
молекулярных
сил
поверхностный слой имеет избыточную свободную энергию по сравнению
с объёмом жидкости. Этот избыток, отнесённый к единице поверхности,
называется удельной свободной поверхностной энергией и обозначается
буквой σ. Величину σ называют также поверхностным натяжением, т.к.
удельная свободная поверхностная энергия численно равна поверхностному
натяжению (только в случае однокомпонентной жидкости):
G= σ · S,
где G - свободная поверхностная энергия, Дж; σ - поверхностное
натяжение, Дж/м2 ; S - поверхность раздела фаз, м2.
Адсорбция, виды адсорбции
Адсорбция- это самопроизвольный изотермический процесс сгущения
массы растворённого вещества в поверхностном слое, вызванный
избытком свободной энергии и сопровождающийся уменьшением
поверхностного натяжения.
Процесс, обратный адсорбции, называется десорбцией. Вещество, на
поверхности которого происходит адсорбция, называется адсорбентом, а
поглощаемое вещество - адсорбтивом. Адсорбция зависит от химической и
физической природы адсорбента и адсорбтива.
Когда молекулы газообразного или парообразного вещества,
диффундируют в толщу адсорбента, образуя с ним однородную массу, то
этот процесс поглощения адсорбтива называется абсорбцией. Процесс
растворения любого газа в жидкости является примером абсорбции.
В некоторых случаях, когда поглощаемое вещество химически
взаимодействует с адсорбентом, то такой процесс в отличие от физической
адсорбции называется хемосорбцией.
Все эти понятия – адсорбция, абсорбция и хемосорбция объединяются
общим названием сорбция и характеризуют процессы поглощения газов,
паров и растворенных веществ твёрдыми телами и жидкостями.
Поверхностно-активные и поверхностно-инактивные вещества
Растворенные вещества изменяют поверхностное натяжение
жидкости: те, которые значительно понижают поверхностное натяжение,
называются поверхностно-активными веществами (ПАВ), а те, которые
несколько
увеличивают
поверхностное
натяжение,
называются
поверхностно-инактивными веществами (ПИВ).
2
Зависимость величины адсорбции от природы вещества была
сформулирована в виде правила Дюкло-Траубе:
"Для низших членов гомологического ряда жирных кислот, спиртов и
аминов с увеличением углеводородной цепи на группу -СН2- поверхностная
активность веществ на границе жидкость-газ возрастает в 3-3,5 раза при
одинаковой молярной концентрации".
Адсорбция на границе раздела жидкость - газ и жидкость - жидкость.
Уравнения изотермы адсорбции Гиббса и Ленгмюра
Адсорбцию можно характеризовать зависимостью количества
адсорбированного вещества от равновесного давления или концентрации
при постоянной температуре. Зависимости Г =f (Р) и Г = f (C) при
постоянной температуре называются изотермами адсорбции.
Процессы адсорбции из газовой среды (предельную адсорбцию насыщение) хорошо описывает уравнение адсорбции, предложенное в 1919
г. И.Ленгмюром:
Г  Г
С
К С
(1)
Уравнение (I) показывает, что если концентрация адсорбируемого газа С
мала, то ею в знаменателе можно пренебречь и уравнение принимает вид:
Г  Г
С
,
К
т.е. между величиной адсорбции и концентрацией существует прямая
пропорциональность. Если концентрация велика, то можно пренебречь
относительно малой величиной К в знаменателе уравнения (I), тогда
Г  Г
С
С
или
Г  Г ,
т.е. в этом случае адсорбируется предельно возможное количество газа.
Уравнению Ленгмюра соответствует изотерма адсорбции (рис.4).
3
Изотерма адсорбции И.Ленгмюра
Уравнение Гиббса. Количественное соотношение между концентрацией
растворенного вещества в растворе С, адсорбцией Г (избыток вещества в
поверхностном слое) и поверхностным натяжением σ на границе раствор газ (рис.5) вывел в 1878 г. термодинамическим путём Дж.У.Гиббс. Он
предложил уравнение, названное его именем:
Г 
C  d 

 ,
RT  dC  T
Уравнение
Гиббса
позволяет
вычислять
адсорбцию
по
экспериментальным данным зависимости поверхностного натяжения от
концентрации. Эти уравнения позволяют изучить ориентацию молекул в
поверхностном слое и структура биологических мембран.
Хроматография, её сущность и применение в биологии и медицине
На явлении адсорбции основаны различные методы разделения и
определения компонентов сложных смесей. Разделение веществ в
результате сорбционных процессов при направленном движении одной из
фаз называется хроматографией.
Хроматография - это физико-химический метод, основанный на
способности адсорбента избирательно и последовательно поглощать
растворённые вещества. ИМ широко пользуются в медицине,
фармакологии, охране окружающей среды.
Заключение:
Поверхностные явления имеют большое значение в медицине, так как
все биопроцессы происходят на границе раздела фаз, адсорбция и
адсорбционная хроматография являются важнейшими методами
препаративного разделения и очистки многих лекарственных веществ:
антибиотиков, алкалоидов, гормонов, антигистаминных веществ.
Вопросы для аудитории:
1. Какие явления называют поверхностными и каковы причины их
вызывающие?
2. Что такое поверхностное натяжение жидкостей?
3. Какое значение имеют поверхностные явления в медицине?
4
4. Что такое адсорбция? Какие причины вызывают этот процесс? Протекает
ли этот процесс самопроизвольно?
5. Что называют изотермой адсорбции? Какие известны типы изотерм
адсорбции?
6. Что такое изотерма адсорбции Гиббса? Зависимость между адсорбцией и
поверхностным натяжением, уравнение Гиббса.
7.Что такое изотерма адсорбции Ленгмюра?
8.Как формулируется правило Дюкло-Траубе? Как его можно записать?
9. Что такое поверхностно-активные и поверхностно-инактивные вещества?
10. Что такое хроматография? В чем состоит основной принцип хроматографических методов?
11. На какие виды подразделяют хроматографию по механизму разделения,
по
методике проведения, по агрегатному состоянию системы, по способу
передвижения компонентов смеси вдоль неподвижной фазы?
12. Каковы области применения хроматографии?
13. Как ориентируются молекулы в структуре биологических мембран?
Рекомендуемая литература:
1. К.И.Евстратова, Н.А.Купина, Е.Е. Малахова. Физическая и коллоидная
химия. Изд."Высшая школа", М.. 1990. с.302-364
2. М.А.Менковский, Л.А.Шварцман. Физическая и коллоидная химия.
Изд. "Химия" М. 1991 с.169-221.
3. М.Фримантл. Химия в действии. т. I, Изд."Мир", 1991, с. 323-337.
10.4. В.Н.Захарченко. Коллоидная химия. Изд."Высшая школа", М., 1974,
с.50- 89.