Файл: Глущенко В.Ю. Введение в физическую адсорбцию учеб. пособие.pdf

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И ШЕЦИАЛЫЮГО СРЕДНИ) ОБРАЗОВАНИЯ РСФСР

Дальневосточный государственный университет

В.В. ГЛУЩЕНКО

ВВЕДЕНИЕ В ФИЗИЧЕСКУЮАДСОРБЦИЮ

( учебное пособие")

Владивосток

197 Ч

I

П Р Е Д И С Л О В И Е

Знание закономерностей, которым подчиняются адоорб-

пяонние явления, полезно большинству химиков. Адсорбционные явления происходят на границе раздела фаз я в значительной отепени предопределяют характер я особенности гетерогенных нроцеоооя. Литература по адоорбцин довольно обиириа, но рао-

сеяна я часто весьма специальна. Поэтому оиотематичеокое изложение обюях закономерностей адоорбцин на уровне учебно­ го поообия представляется не линиям.

Врамках поставленной задачи будут изложены введения

отех поверхноотных явлениях, которые обязаны проявлению олвбых межмолекулярных (ван-дер-вавльоовых) онл. Этот раз­

дел науки о поверхноотных явлениях изучен наиболее ояоте-

матичеокя я полно. Тем не менее, интерес к ним заметно рас-

твт, ноток новых идей вей увеличивается. В подходяннх для втога местах будут указаны границы, за которыми явления уже же подчиняются законам физической адоорбцин - предме­

ту наложения. v

В Дальневосточном государственном универонтете курс

вдоорбцяя впервые прочитан профессором В.Т.Быковын. В соз­ данной ян лаборатории адсорбции студенты получают навыки нооледовательской работы, и, может быть, нм поможет пред­ лагаемое "Введение в физическую адсорбцию". В основу нас-

то® его учебного пособия положены лекция, прочитанные автором в последние годи для студентов. Для углублённого изучения курса полезно обратиться к литературе, прчвенеяяок в ноосбки, а танке и оригинальным ясточнекям.

В В Е Д Е Н И Е .

Поверхностные атомы и молекуш либого тела заметно

отлячаютоя от тех атомов н молекул, которые находятся внутри фазы. Частицы, слагающие фазу,окружены со воех сторон дос­ таточно равномерно другими частицами, и результирующая сил их взаимодействия оказывается равной нулю, какова бы ни бы­ ла природа этих сил. Отличное от нуля значение имеет сумга

сил, действующих на гг -ичные атомы и молекулы. Эта суммар­

ная сила направлена внутрь фазы. Поэтому поверхность любого тела обладает поверхностным натяжением к стрештся умень­

шиться. Слагающие её атомы и молекулы имеют некомпенсиро­

ванные силы для образования дополнительной связи о атомами

и молекулами другой фазы.

Результатом соприкосновения разнородных фаз являет­

ся концентрирование вещества на поверхности раздела -

адсорбция. Попадая на поверхность твёрдого тела, частица

оказывается как-то связанной с граничными атомами (молеку­ лами) , теряя, по крайней мере, одну степень свободы. Про-

цесо адсорбции сопровождается умеяьненнем энтропия aS . .

Насыпая некомпенсированные поверхностные онлы, адоорбнро-

вавяие частицы повивают поверхностное натяхоиие в.приводят

то н .величава дН оказывается со знаком м*яус, З-.v озна­ чает, что любой адсорбционный процесс вкаотершчен.

Адсорбция есть чаотный олучей болею общего яьлеа-тя оорбааы. включающего к абсорбпкю. то есть аенцентряровыяиб

5

I- * AJ L f tJ L S .L f l.U i [i-e l

Яярокое ярпол зов*ям ядвербявгов ■ ячяота* ногжтя-

тлай , катаязаторо» * яеоятояй ятяяируових веяеотв,

фяотацхонных n irN M t, нмюяктвяй мямяров, омавох я мкоя, в тяпографяя* п я ш а * «.ж. м мяогвм онределяет-

оя большим разяовбромем яя ятрумгрн я H e le n . Но по ха­ рактеру основных, мремлямйх пряяяакав адоорбентм мояяо развеять на трн бвямяя кляеев: адворбвятм «мопфяойгюп-

нгоктяркой (noaiBfjgMt) х я и и т я я и и ж » о тя тгн и .

Деление в известном омыоя условное, хотя бы в отм еняя аморфных веществ, а структуре которых обнаружено преобла­

дающее значение ковалентных овяжей я ближний порядок, сход­ ный с порядком в ооответствувмнх кристаллических отруктуряж.

Типичным примером таких адсорбентов является активные угли.

Они образуются в результате воздействия на грубопоркотое

(например, кокс) я л непориотое тело агрессивных газов я жидкостей. Газы-окислитея при температуре около 900°С (00j или Н20) активно взаимодействуют о яоходиыи углем;

происходит образование чрезвычайно пористой структуры за счёт выгорания частя угля. Удельная поверхность полученных так образцов достигает многих сотен м / г , а размеры нор -

десятков или сотен Я. (Суммарный объём пор, в ооаовиом

яизоПор, колеблется в пределах 0,Э-0,5 ои^/г).

Вструктуре активных углей преобладают грвфятоподоб-

шм слои ограниченного размера, расположенные параллельно друг Другу без наличия дальнего поряхия. Размеры упорядочен­

ных частип (кписталлтов) могут яэмевятьоя в пределах

Ор

9-60X7-10 А . Активные угли еоть производные графита, в отрук

6

туре которого произошли глубокие изменения в результате окисления. Если для идеального графита характерно плавильное расположение слоёв о сохранением воех характеристических расстояний (рис.1), то в структуре-активны*»углей при сохране­

нии такого же расстояния углерод-углерод внутри слоёв, как

о

в графите, расстояние между слоями составляет около 3,6 к

против 3,354 А в графите (15°С).

Выгорание углерода приводит к обрыву цепочки конден­ сированных колец (базисных граней) и образование в местах обрыва так называемых поверхностных йкякшональиых групп

(поверхностных окислов) - ПФГ. Последние играют большую роль в адсорбционных, каталитических я ионообменных процессах.

ПроетеЙяй** типами таких групп могут быть следующие:

На поверхности активных углей (равно как на большинстве угле­ родных тел) достаточно убедительно доказано существование и карбоксильных групп. Такие группы сиоообкы к ионному обмену.

В зависимости от характера поверхностных групп уголь может быть "основным" или "полым".

7

Re отрицая суиествования поверхностна* окислов,

электрохимическая теория объясняет, например, аниоиообменные свойотва "основного" угля с позиций так называемого кислород­ ного газового электрода. При обычной температуре углерод об­ разует с кислородом промежуточные окислы типа О давшие при взаимодействии о водой гидроксильные ионы:

Далее:

я раствор электролита подщелачивается. Если "основной" уголь нейтрализует кислоту по схеме:

то "кислый" уголь, определяемый в рамках электрохимической

теории как водородный электрод, нейтрализует основания:

Cj~.2 K+-* 2 Х а + 20Н"-------— С“1 2 »1а.+ * 2 Н20

вероятно, адсорбционные, электрохимические и ионо­ обменные свойства углеродных тел правильнее рассматривать комплексно. Структура активного угля является промежуточной между графитом и оажей, упорядоченной менее, чем другие угле­ родные тела. Поэтому активный уголь содержит отдельные эле­ менты обеих структур.