и оседает на дно, а наиболее ценная часть, обильно смачиваемая мас лом, переходит в масляную пленку, затем собирается в специальном отстойнике.
Процесс флотации возможен и б* з применения масла. На поверх ности воды путем энеричного пропускания воздуха создают обильную пену. Гидрофобные частицы горной породы прилипают к пузырькам воздуха, затем вместе с пеной их удаляют в специальный отстойник.
Ионнообменная адсорбция. Поскольку сильные электролиты в рас творах полностью или почти полностью диссоциированы на ионы, ад сорбция электролитов на поверхности твердых адсорбентов в резуль тате действия обычных адсорбционных и электрических сил имеет свои
Рис. 192. Гидрофобизация поверхности:
а — гидрофильная |
поверхность; 6 — поверхность, гидрофобизи- |
рованная |
поверхностно-активным веществом |
специфицические особенности. Иными словами, адсорбция ионов силь ных электролитов протекает под воздействием двух родов сил: моле кулярно-поверхностных адсорбента и электрических сил, проявляю щихся только при адсорбции ионов.
Обычно различают три основных типа адсорбции электролита: 1) эквивалентная адсорбция; 2) обменная адсорбция; 3) специфическая (избирательная) адсорбция.
При эквивалентной адсорбции происходит эквивалентное погло щение катионов и анионов электролитов, т. е. молекулы элитролитов поглощаются целиком. Сам механизм поглощения можно представить следующим образом. Лучше адсорбируемый ион данного электролита притягивает свой парный, менее адсорбируемый ион на поверхность адсорбента. При этом адсорбируемость второго иона возрастает, а первого — уменьшается, так как часть его удерживается в растворе другим, хуже адсорбируемым ионом. В результате оба иона поглоща ются (адсорбируются) эквивалентно, почему эквивалентную адсорб цию часто и называют молекулярной. Она характерна для слабых элек тролитов. При эквивалентной адсорции электронейтральность на гра нице фаз не нарушается.
При обменной адсорбции избирательное поглощение одного из ио нов электролита, находящегося в растворе, сопровождается одновре менным вытеснением другого иона того же знака из поверхности ад сорбента. Обмен ионами протекает в строго эквивалентных количе ствах, поэтому электронейтральность на границе раздела фаз не на рушается. Опыт показывает, что обменная адсорбция протекает более медленно, чем обычная, и ее можно рассматривать как хемосорбционный процесс.
^Если при обменной адсорбции взамен поглощаемого иона нейтраль ной соли адсорбент отдает в раствор эквивалентное количество ионов водорода или гидроксила, такая адсорбция носит название гидролити ческой. Например, адсорбция на угле неогранических нейтральных со лей (NaCl, КС1, KN03) сопровождается подщелачиванием, т. е. в дан ном случае по преимуществу адсорбируются анионы, а в раствор по ступают ноны ОН- . К гидролитической адсорбции относятся все слу чаи обменного выделения адсорбентом ионов Н+ или ОНнезависимо от того, образовались ли эти ионы в результате тех или иных поверх ностных процессов на адсорбенте или же содержались в нем заранее как составная часть молекул. Так, глинистые минералы (каолинит, монтмориллонит) могут участвовать в обменной адсорбции своими Н+-ионами.
Гидролитическая адсорбция имеет большое значение в почвенных условиях, а также в корневом питании растений. На основе представ лений об обменной адсорбции К. К. Г е д р о й ц создал свое учение о почвенном поглощающем комплексе, которое имеет важное значе ние для разрешения проблемы повышения плодородия почв. На ос новании полученного нм большого экспериментального материала Гедройц установил, что поглощение иона почвой из раствора сопро вождается выходом из нее другого иона в строго эквивалентных ко личествах. По Гедройцу, носителем обменной адсорбции в почве яв ляется почвенный поглощающий комплекс, который представляет собой высокодисперсную смесь нерастворимых в воде алюмосиликатных, органических и органоминеральных соединений. Многочисленными экспериментами Гедройц доказал, что в таком обмене участвуют толь ко катионы, причем обменная способность их тем выше, чем больше валентность (в пределах ионов одной валентности тем выше, чем боль ше атомный вес). В качестве примера в табл. 84 приведены данные, полученные Гедройцем при исследовании образца черноземной почвы, насыщенной барием. Почва была обработана 0,1 н. растворами хлори дов перечисленных катионов при отношении раствора к почве 10 : 1.
Поскольку вытесненные количества бария эквивалентны адсорби рованным количествам катионов,' ясно, что адсорбционная способность катионов возрастает при переходе от лития к железу, а для катионов одинаковой валентности возрастает с увеличением атомного веса.
Т а б л и ц а 84
Вытеснение бария из почвы различными катионами (мг-экв на 100 г почвы)
Катионы |
Вытеснено |
Катионы |
Вытеснено |
бария, мг-экв |
бария, мг-экв |
|
на 100 г |
|
на 100 г |
Li+ |
3,8 |
Mg2+ |
7,7 |
Na+ |
4,5 |
Са2+ |
10,2 |
К+ |
6,8 |
А13+ |
16,7 |
Pb+ |
7,8 |
рез+ |
18,7 |
Остановимся на конкретных примерах обменной адсорбции.
Для снижения жесткости технических вод, которая в основном обу словливается присутствием солей кальция и магния, в технике при меняются либо естественные силикаты — цеолиты н глаукониты, либо искусственные алюмосиликаты щелочных металлов, называемые пермутитами. Схематически обменное действие пермутита можно пред ставить следующим образом:
+ Са2+ +SO 2— + 2Na+ + SQ2-
Применение пермутитов позволяет устранить жесткость воды, но не освобождает воду от всех катионов и анионов. Практически полное очищение воды от посторонних катионов было достигнуто лишь в не давнее время путем применения ионообменных смол. Эти смолы или иониты получают путем введения ионогенных групп (S03H, СООН, NH2) в скелет углеводородных цепей высокополимерных соединений. Одни смолы имеют кислотный характер (поверхность их заряжена от рицательно) и потому обменно адсорбируют только катионы с заменой любого из них на ион водорода. Такие адсорбенты получили название катионитов. Другие смолы, имеющие основной характер, получили на звание анионитов. Эти адсорбенты адсорбируют из растворов только анионы в обмен на ионы ОН- .
Пропуская воду через особые фильтры, заполненные тонко измель ченными катионитом и анионитом, ее полностью очищают от всех ка тионов и анионов. По чистоте очищенная таким образом вода ни сколько не уступает дистиллированной воде, т. е. очищенной путем перегонки.
Очистка воды с применением ионитов может быть представлена сле дующей схемой:
|
Р е а к ц и и на к а т и о н и т е |
|
катионит• Н2 |
+ Са2++2С1~ |
катионит-Са |
+ 2H ++2CI- |
катионит-Н2 |
+ Mg*-+ + S 0 2 - ^ |
катионит-Mg |
+ 2Н+ + SO^~ |
катионит - Н2 |
+ N a+ + C |- |
катионит-H-Na |
+ Н+ +С1- |
Р е а к ц и и на а н и о н и т е
анионит- (ОН)2 |
+ 2Н ++ SQ 2-; |
анионит-SO, |
+ 2НгО |
анионит- (ОН)2 |
+ Н ++ С 1- |
анионит- ОН-С1 |
+ Н20 |
При очистке воды катионит и анионит следует брать в эквивалент ных соотношениях. Для регенерации, т. е. восстановления уже отра-
ботанных катионитов, обычно применяют 3—5%-ные растворы серной или соляной кислоты. В результате этого катиониты «заряжаются»
ионами водорода |
, - |
катионит-Са + 2 H + + 2 C I- |
катионит-Н2 + Са2+ 4 2С1- |
Для восстановления анионитов применяют чаще всего 5%-ный раствор NaOH или КОН
анионит-С1 + Na+ + О Н - анионит - ОН + Na+ 4 C I -
Возможность получать при помощи ионообменных смол очищенную воду имеет большое значение для питания котлов высокого давления, а также в ряде производств (сахарной промышленности, пивоварения, химии чистых реактивов, производстве фототоваров, лекарственных препаратов). Особенно большоезначение ионообменные смолы приоб рели за последнее время в винодельческой промышленности. С их по мощью производят удаление излишков Fe3+, Cu2+, Са2+, вызывающих помутнение вина, а также обеспечивают сусло вина. В молочной про мышленности иониты широко используются для изменения солевого состава молока. Известно, что коровье молоко богаче женского содер жанием соответствующих солей и отличается характером створажи вания, что зависит от соотношения кальция и казеина. Удаляя из ко ровьего молока с помощью ионообменных смол избыток кальция, его делают вполне пригодным для питания грудных детей.
В свое время было предложено несколько уравнений, описывающих обменную адсорбцию. Наиболее точным оказалось теоретически вы веденное Б. П. Никольским уравнение, которое имеет следующий вид:
|
|
(X I,23) |
|
V г2 |
V c 2 |
где Г, |
и Г2 — количества поглощенных ионов, выраженные в мг-экв |
на 1 г |
адсорбента, Cj и С2 — концентрации или активности соответ |
ствующих ионов в растворе, Zx и Z2 — валентности ионов, К — кон станта обмена.
Величина константы ионного обмена К определяет соотношение ионов в поглощенном состоянии при заданной концентрации в раство ре и должна заметно отличаться от единицы.
В практике известно немало случаев, когда на твердом адсорбенте адсорбируются избирательно преимущественно только ионы одного вида. В этом случае катионы (или анионы) поглощаются из раствора и необменйо фиксируются на поверхности адсорбента, сообщая поверх ности свой заряд. Такой вид адсорбции получил название специфи ческой адсорбции, или адсорбции потенциалопределяющих ионов.
Специфическая адсорбция имеет особенно большое значение в коллоид ных системах при образовании так называемого двойного электри ческого слоя.
Процессы специфической адсорбции широко представлены не толь ко в биологических объектах, но и в почвах. Согласно С. Н. А л е ш и ■ н у, ион водорода (протон), в отличие от других катионов, может адсор бироваться многими минералами необменно, что играет большую роль в выветривании различных горных пород и образовании обменной поч венной кислотности.
Адсорбционные явления лежат в основе важнейшего метода анали за сложных смесей — х р о м а т о г р а ф и и .
§ 128. Адсорбция и биологические процессы
Явления адсорбции чрезвычайно широко распространены в природе. Там, где соприкасаются газы (или пары), жидкости и твердые тела, имеют место ад сорбционные процессы. Почва хорошо поглощает (адсорбирует) не только раство ренные в воде органические и минеральные соединения, но и воздух, углекисло ту, пары воды, аммиак. Поглощение корнями питательных элементов из почвы начинается-с их адсорбции на поверхности корневых волосков и тонких неопробковевших корней. Усвоение растением углекислого газа при фотосинтезе начи нается с адсорбции С02 на внутренней поверхности листа. Превращения погло щенных солей и углекислоты связано с явлениями адсорбции н десорбции на протоплазматических структурах и поверхностях клеточных органелл, пластид, ми тохондрий, микросом.
В животных организмах явления адсорбции также играют очень большую роль в их жизнедеятельности. Роль адсорбции обусловлена наличием в организ ме огромного количества самых разнообразных поверхностей раздела — стенок сосудов, поверхности клеток, клеточных ядер и вакуолей, коллоидных частиц протоплазмы и, наконец, поверхности раздела между организмом и средой. Осо бенно важную функцию выполняет поверхность раздела между организмом и средой для низших организмов и организмов, живущих в воде, так как ей при надлежит существенная роль в процессах питания и обмена веществ. Исследо вания последних лет показали, что пищевые вещества, как правило, являются поверхностно-активными веществами, и потому первым этапом их усвоения яв ляется адсорбция, а процесс их химического превращения уже вторичен.
Чтобы более наглядно представить себе роль и значение адсорбционных про цессов, протекающих в животном организме, рассмотрим адсорбционные возмож ности эритроцитов крови человека. Исследования показали, что эритроциты яв ляются переносчиками различных веществ, в том числе аминокислот, которые они разносят и передают клеткам и различным тканям организма. Количество эрит роцитов достигает в крови взрослого человека примерно 5 000 000 в 1 мм3. В сред нем на 1 кг веса у здоровых мужчин приходится 450 миллиардов эритроцитов или 27 триллионов на весь организм. Учитывая, что диаметр эритроцита равен 7—8 мк, можно легко подсчитать, что общая поверхность эритроцитов всей кро ви человека составит примерно 3200 м2.
Большинство реакций, протекающих в организме, совершается при непо средственном участии ферментов-катализаторов.; Исследования показали, что первые стадии действия любого фермента сводятся к адсорбции субстрата на по верхности ферментного комплекса, и только после этого фермент проявляет свое специфическое каталитическое действие.
