8. АДСОРБЦИЯ

Твердые тела обладают способностью удерживать и уплотнять на своей поверхности газообразные или растворенные вещества. Явление уплотнения газообразного или растворенного вещества на поверхности твердого тела называют адсорбцией, а вещество, на поверхности которого происходит адсорбция, — адсорбентом.

Адсорбция вещества обусловлена тем, что силовое поле частиц твердого тела, расположенных у поверхности, является ненасыщенным, поэтому молекулы газа или растворенного вещества притягиваются к поверхности твердого тела. В простейшем случае можно представить себе, что поверхность твердого тела несет электрические заряды. Эти заряды могут быть или одного знака, или их знаки могут чередоваться. Электрические заряды поверхности взаимодействуют с электрическими зарядами в молекулах газов или растворенных веществ и притягивают их. Таким образом, на поверхности твердого тела возникает уплотненный слой ориентированных молекул.

Особенно большое значение имеет адсорбция электрически заряженных частиц — ионов — из растворов. Изучение процесса адсорбции позволило приготовить адсорбенты, избирательно сорбирующие ионы определенного знака.

В некоторых случаях при адсорбции наблюдается процесс ионного обмена, при котором из раствора сорбируются, например, положительно заряженные ионы металлов, заменяясь поступающими из адсорбента ионами водорода. Такие адсорбенты называют катионитами. Существуют также адсорбенты, избирательно поглощающие отрицательно заряженные ионы — анионы — различных

солей, обменивая их на гидроксильный ион ОН. Эти адсорбенты называют анионитами. Заставляя воду, содержащую растворенные соли, проходить последовательно два сосуда, или, как их называют, ионнообменные колонны, содержащие соответственно катионит и анионит, можно осуществить замену в первой колонне иона металла на ион водорода, а во второй — аниона кислотного остатка на гидроксильный анион. В результате присутствовавшая в воде соль будет поглощена и заменена соответствующим количеством воды. Этот способ позволяет получить воду, полностью свободную от примеси солей, не прибегая к перегонке, и имеет поэтому большое практическое значение.

В общем случае молекулярное силовое поле у поверхности твердого тела более сложно, чем описанное выше простое электростатическое поле.

Интенсивность силового поля у различных участков поверхности неодинакова. Наиболее активные участки поверхности особенно энергично взаимодействуют с адсорбируемыми молекулами. В этом случае иногда наблюдается химическое соединение адсорбируемых молекул с атомами адсорбента, сопровождающееся выделением значительного количества теплоты.

Подобная адсорбция называется хемосорбцией.

Следует заметить, что при адсорбции вещества на активных участках поверхности, даже в тех случаях, когда не возникает устойчивого химического соединения, химические свойства адсорбированной молекулы существенно изменяются. Этим объясняется то, что в присутствии адсорбентов протекают некоторые химические реакции, не наблюдаемые в их отсутствии.

Поскольку процесс адсорбции протекает на поверхности твердого тела, то в качестве адсорбентов обычно используются тела, отличающиеся большой пористостью — угли, гель кремниевой кислоты, различные специальные смолы. Пористость адсорбционного угля повышается специальной обработкой, называемой активацией угля.

Истинная поверхность приготовленного таким образом активированного угля очень велика. У специальных сортов угля она достигает от 500 до 1000 квадратных метров на грамм угля.

В некоторых случаях в узких порах угля может происходить даже конденсация адсорбируемых паров. Не приходится поэтому удивляться большим количествам вещества, которые адсорбирует уголь. Можно указать, например, что одна тонна специально приготовленного угля поглощает до двухсот килограммов паров бензина.

При повышении температуры количество адсорбированного вещества уменьшается. Как говорят, при нагревании происходит

десорбция вещества. Поэтому в тех случаях, когда необходимо удалить адсорбированные каким-либо телом газы, это тело нагревают, одновременно откачивая десорбирующееся вещество.

Явлением адсорбции пользуются для достижения вакуума. Так, например, при производстве осветительных ламп на нить накаливания наносят слой красного фосфора. Когда нить накаливается, фосфор испаряется и, соединившись с присутствующими парами воды и кислородом, осаждается на внутренней поверхности стеклянного баллончика. Возникший налет поглощает остаточные газы. При производстве радиоламп для достижения высокого вакуума обычно применяют бариевый газопоглотитель, наносимый на внутреннюю поверхность колбочки лампы. Этот газопоглотитель адсорбирует азот, кислород, водород, углекислый газ и окись углерода.

В различных областях техники приходится иметь дело с сильно летучими веществами. Для того чтобы предотвратить потери ценных продуктов, вызываемые их летучестью, используются адсорбционные уловители. Подобные аппараты используются также для улавливания вредных летучих веществ, могущих загрязнить воздух.

Когда в первую мировую войну были применены отравляющие вещества: хлор, фосген и другие, для защиты от них было использовано явление адсорбции. Русские ученые Н. Д. Зелинский и Н. А. Шилов создали угольный противогаз, в котором отравляющие вещества поглощались слоем активированного угля. Сходные противогазы применяются и в настоящее время.

Явление адсорбции используется в технике также с целью очистки растворов от различных загрязнений. Так, например, растворы, из которых ведется кристаллизация сахара, бывают окрашены. Для получения привычного для нас бесцветного сахара сахарный сироп подвергают очистке, фильтруя его через слои активированного угля.

Твердые тела могут не только адсорбировать газы, т. е. уплотнять их на своей поверхности, но и растворять газы, подобно тому как это имеет место у жидкостей. Растворение газов твердыми телами называют окклюзией. Некоторые металлы способны окклюдировать большое количество газов. Так, например, палладий растворяет такое количество водорода, которое при нормальном давлении занимает объем, приблизительно в тысячу раз превосходящий объем палладия.

При повышении температуры способность твердого тела окклюдировать газы возрастает.