Адсорбция на границе твердое тело-раствор

Адсорбция на границе раздела твердое тело – жидкий раствор – это процесс самопроизвольного увеличения концентрации растворенного вещества вблизи поверхности твердого адсорбента. Этот вид адсорбции осложняется не только особенностями твердой поверхности адсорбентов, но и тем, что при адсорбции из растворов происходит одновременная адсорбция как растворителя, так и растворенного вещества.

На границе твердое тело – раствор различают два вида адсорбции – молекулярную, или адсорбцию неэлектролитов, когда твердое тело адсорбирует молекулы адсорбтива, и адсорбцию ионную, когда адсорбент избирательно адсорбирует из раствора электролита один из видов ионов.

Количественно адсорбцию растворенного вещества на твердом адсорбенте оценивают следующим уравнением:

где a – количество вещества, адсорбированного одним граммом адсорбента, моль/г; m – масса адсорбента, г; – начальная концентрация раствора, моль/дм3; – равновесная концентрация раствора после адсорбции, моль/дм3; V – объем раствора адсорбтива, дм3.

В области средних концентраций адсорбтива адсорбция растворенного вещества на твердом адсорбенте описывается уравнением Фрейндлиха:

где , 1/n – эмпирические константы, зависящие от природы адсорбента и адсорбтива, значения которых находят экспериментально. Для того чтобы определить значения и 1/n, уравнение Фрейндлиха логарифмируют, преобразуя его в линейное:

Тогда, построив график зависимости lga = f( ), получают прямую линию, которая отсекает на оси ординат отрезок, равный , а тангенс угла равен 1/n (рис. 13).

Для описания адсорбции из раствора на твердом адсорбенте применимо также уравнение Ленгмюра:

Наряду с концентрацией раствора на адсорбцию из раствора на твердом адсорбенте влияют природа растворителя, растворенного вещества, адсорбента, время адсорбции и температура.

Так как молекулы растворителя и растворенного вещества конкурируют при адсорбции, то, чем хуже адсорбируется растворитель, тем лучше будет адсорбироваться растворенное вещество. Правило Шилова гласит: чем лучше растворитель растворяет вещество, тем хуже это вещество адсорбируется из раствора.

Для прогнозирования адсорбции с учетом влияния природы растворителя и растворенного вещества используют правило уравнивания полярностей Ребиндера, которое говорит о том, что процесс адсорбции протекает в сторону уравнения полярности фаз и тем сильнее, чем больше первоначальная разность полярностей. Таким образом, чем больше разность полярностей между растворителем и адсорбентом, тем лучше растворенное вещество будет адсорбироваться. Именно на этом свойстве основано практическое применение полярных адсорбентов (силикагель, оксид алюминия) для адсорбции малополярных дифильных молекул (спиртов, карбоновых кислот) из неполярных сред и неполярных адсорбентов (уголь) для адсорбции тех же веществ из полярных сред. Например, масляную кислоту из бензола необходимо адсорбировать на силикагеле, а из воды – на угле или гидрофобном силикагеле с привитыми алкильными группами.