Адсорбция

Поверхностный слой может улавливать из окружающей среды такие молекулы, которые способны «насытить» свободные силы сцепления молекул-пограничников. Эти силы связывают молекулы слоя с уловленными молекулами. При этом поверхностная энергия уменьшается без изменения площади поверхности. Такой процесс называется адсорбцией. Вещества, молекулы которых связываются с поверхностью, называются поверхностноактивными веществами.

Рис. 3. Схема флотационной машины.

Адсорбцию используют для очистки газов и жидкостей от примесей и вредных веществ, для извлечения из растворов ценных продуктов, например соединений редких металлов. Вещества улавливаются на поверхности адсорбентов — тонкопористых тел, пронизанных мельчайшими открытыми каналами. Таковы специально приготовленные активные угли, или силикагели; их получают обезвоживанием студней кремнекислоты. Поверхность одного грамма таких высокодисперсных адсорбентов достигает 1000 м²! Адсорбенты применяют и как катализаторы — ускорители химических реакций. Молекулы веществ, активируясь на поверхности в порах адсорбента, легче реагируют друг с другом, и скорость реакции повышается во много раз. Именно так действуют катализаторы при получении аммиака, серной кислоты и в других важнейших химических производствах.

Пузырек воздуха, выносящий прилипшие к нему частицы ценного минерала.

Главная роль поверхностноактивных веществ в том, что они сильнейшим образом изменяют свойства поверхности тел и условия взаимодействия этих тел. Для этого требуется очень мало поверхностно-активного вещества — столько, чтобы покрыть поверхность адсорбента слоем в одну молекулу. При самой плотной упаковке молекула этого слоя занимает площадку в виде квадратика со стороной около 0,45 нм (нанометра). Следовательно, площадь, занимаемая молекулой, равна (0,45*10^-9)²м²~0,2*10^-18м².

Значит, на 1 м² приходится 5*10¹⁸ молекул. Но известно, что моль любого вещества содержит 6*10²³ молекул (число Авогадро); таким образом, на 1 м² приходится около 10~⁵ моля вещества. Если молекулярная масса этого вещества около 300, то, чтобы покрыть 1 м² поверхности мономолекулярным слоем, потребуется около 3 мг поверхностноактивного вещества.

Свойства адсорбционных слоев помогают управлять технологическими процессами: отмывать загрязнения с любых материалов, приготовлять устойчивые суспензии и эмульсии или, наоборот, быстро их разрушать, делать поверхности смачиваемыми или не смачиваемыми водой. С помощью поверхностноактивных веществ разработали метод флотации — обогащение полезных ископаемых, т. е. отделение их частиц от пустой породы (рис. 3). Частицы ценного минерала, сделавшись благодаря тончайшему адсорбционному слою несмачиваемыми, при перемешивании в воде прилипают к пузырькам воздуха и выносятся ими наверх, в пену, а хорошо смачиваемые частицы породы остаются в воде и оседают на дно. Флотационные процессы помогают добывать свинец, цинк, медь, золото, платину, обогащать фосфориты, серу, уголь, железную руду, использовать самые бедные руды, которые прежде невыгодно было разрабатывать. Во всем мире на огромных флотационных фабриках обогащаются ежегодно миллионы тонн рудных и нерудных ископаемых.

С помощью поверхностноактивных веществ можно делать несмачиваемыми ткани и волокна. Они остаются пористыми, пропускают пары, «дышат», но не впитывают и не пропускают воду.

перейти к началу страницы