Медико-биологическое значение адсорбции ПАВ из раствора

Природными ПАВ являются соли высших жирных кислот, ко­торые называют мылами. Такие соли со щелочными металлами проявляют высокие гидрофильные свойства и поэтому хорошо растворяются в воде и способствуют стабилизации неполярных веществ. Например, гидрофобная поверхность частичек грязи при адсорбции молекул мыла становится гидрофильной и грязь легко смывается водой. (рис. 1.7а) Соли высших жирных кислот с двух- и трехвалентными ме­таллами нерастворимы в воде, но растворимы в неполярных рас­творителях, например, в жирах, поэтому такие ПАВ стабилизи­руют полярные дисперсные фазы в гидрофобной среде. (рис. 1.7б) К природным ПАВ относятся фосфо- и гликолипиды, в молекулах кото­рых между полярной и гидрофобной частями имеется глицери­новый мостик, усиливающий гидрофильные свойства молекул. Поверхностно активными веществами являются желчные кислоты. В них носителем гидрофобных свойств является сте­роидный радикал, состоящий из четырех конденсированных ко­лец. Желчные кислоты участвуют в диспергировании (эмульги­ровании) жира на мельчайшие капельки, в виде которых он лучше всасывается через стенки кишечника. Диспергирование происходит в 12-типерстной кишке, куда поступает из желудка кислая частично измельченная пища. Сюда же поступает секрет поджелудочной железы, имеющий основный характер за счет со­держащихся ионов HCO₃^-. Выделяющийся при реакции нейтра­лизации CO₂ дробит капельки жира, а желчные кислоты, посту­пающие сюда из желчного пузыря, адсорбируются на поверхно­сти этих капелек, ориентируясь к их поверхности гидрофобным хвостиком, а к водной среде – гидрофильными головками. По­верхность жировых капель за счет такой адсорбции ПАВ стано­вится полярной, близкой к полярности среды, уменьшается σ и эта гетерогенная дисперсная система, несмотря на высокую поверхность раздела фаз, становится термодинамиче­ски устойчивой (рис.1. 7в).

а. б. в.

Рис. 1.7 Схема адсорбции ПАВ

а) на гидрофобных поверхностях в) при диспергировании жиров

б) на гидрофильных поверхностях (масел) желчными кислотами

1.9. Адсорбция газа на твердой поверхности.

Типичным примером такой адсорбции является адсорбция газов: хлора, аммиака активированным углем в противогазе. Угарный газ не адсорбируется активированным углем, потому использовать такой противогаз на пожаре бесполезно. Адсорбция газа на твердом адсорбенте, Г, зависит:

а) от площади поверхности адсорбента, главным образом от его пористости;

б) от природы газа и адсорбента;

в) от концентрации (или давления) адсорбирующегося газа;

г) от температуры.

Эффективность адсорбента тем выше, чем выше его удельная поверхность, т.е. чем больше он измельчен и выше его пористость. Так, активированный уголь (костный уголь «активи­рован» обработкой водяным паром выше - 1000⁰С) имеет удель­ную поверхность 500 – 1000 м²/г, следовательно, обладая огром­ной избыточной энергией, стремится ее уменьшить за счет ад­сорбции (уменьшения σ). В медико-биологической практике в ка­честве адсорбентов применяют также полифан (получают из дре­весного лигнина), силикагель (SiO₂)n (получают из кремниевой кислоты), оксид алюминия Al₂O₃; природные алюмосиликаты и цеолиты, главными компонентами которых являются оксиды Al₂O₃ и SiO₂, целлюлоза (вата), тальк, бумага и др.

Адсорбируемость газа или пара определяется его сродст­вом к поверхности адсорбента. Полярные вещества лучше адсор­бируются на полярных адсорбентах (силикагель, алюмосиликаты, глины), а неполярные – на неполярных адсорбентах (активиро­ванный уголь, сажа, тальк, фторопласт). При этом, чем больше газ склонен к межмолекулярным взаимодействиям, тем лучше он адсорбируется.

При физической адсорбции из смеси газов или паров лучше адсорбируется тот газ, который легче сжижается, т.е. его моле­кулы более склонны к межмолекулярным взаимодействиям.

Понять влияние концентрации газа на величину адсорбции Г можно, исходя из представлений о механизме адсорбции. Изу­чение механизма адсорбции на твердой поверхности является сложным. Теорий существует несколько. Первой и простейшей теорией, описывающей механизм адсорбции газа на твердом ад­сорбенте, является мономолекулярная теория Лэнгмюра (1915г.) Вот её положения:

1. Адсорбция молекул газа происходит главным образом на активных центрах поверхности, неровностях (рис.1. 8)

2. На одном активном центре адсорбируется только одна мо­лекула газа.

3.Адсорбированные молекулы образуют на поверхности мо­номолекулярный слой, соответствующий предельной адсорбции, Г∞.

4. Адсорбированные молекулы не взаимо­действуют друг с другом.

5. Адсорбция молекул газа обратима, сопровождается де­сорбцией.

Адсорбция газа на твердой поверхности описывается изотер­мой Ленгмюра, выраженной через концентрацию или через дав­ление газа (рис. 1.9 и ур-е 1.4).

Рис. 1.8 «Активные» центры

Поверхности

Это уравнение хорошо описывает адсорбцию на линейных участках 1 и 3 при малых и высоких концентрациях газа. При малых концен­трациях газа (С << К), значением С в знаменателе можно пренеб­речь, тогда Г = Г∞ С, т.е. количество адсорбированного газа про­порционально его концентрации (участок 1). При больших кон­центрациях, С << К, можно пренебречь значением К, уравнение примет вид Г = Г∞, т.е.адсорбируется предельно возможное ко­личество вещества (участок 3). Для средних концентраций вещества (нелинейный участок 2) адсорбция лучше описывается уравнением Фрейндлиха (1.5):

Г = К ∙ Сⁿ (1.5)

Постоянные К и n находят из эксперимента. Уравнение (1.5) логаифмируют, переводя его в уравнение прямой линии (1.6).

lg Г = lg К + n lg С (1.6)

Опытным путем находят адсорбцию Г при разных концен­трациях вещества и строят график зависимости lg Г от lg С (рис. 1.10)

Рис. 1.10. График для нахождения постоянных в уравнении Фрейндлиха

Отрезок ординаты, отсекаемый полученной прямой, равен lg К, а тангенс угла наклона этой прямой к оси абсцисс, tg α = n.

Физическая адсорбция газа на твердом адсорбенте при не­высоких температурах является экзотермическим процессом, ∆Н < 0, за счет образования связей газа с поверхностью. Поэтому при повышении температуры увеличивается скорость обратного процесса – десорбции, согласно принципу Ле-Шателье, и адсорб­ция газа уменьшается (рис. 1.11)

Г 20⁰

		Рис. 1.11 Изотермы адсорбции газа при разных температурах

50⁰

100⁰

С