Поверхностные явления и адсорбция. Хроматография

                      З А Н Я Т И Е   N   15

ТЕМА:                Поверхностные явления и адсорбция.

                                                 Хроматография

1. ЗНАЧИМОСТЬ ТЕМЫ: Поверхностные явления и адсорбция имеют большое значение в медицине и биологии. Все биопроцессы протекают на поверхности раздела фаз - ферментативные реакции, синтез белка и др. Поверхностно активные вещества (ПАВ) понижают поверхностное натяжение и играют важную роль в физиологических процессах. Нап­ример, соли желчных кислот, обладающие высокой поверхностной ак­тивностью, обеспечивают эмульгирование жиров и их всасывание. Ад­сорбция различных веществ при острых отравлениях имеет большое значение в адсорбционной терапии и гемосорбции. Иммуносорбенты найдут широкое применение при лечении микробных интоксикаций, га­зовой гангрены, столбняка.

2. ЦЕЛЬ ЗАНЯТИЯ: Изучить закономерности процессов сорбции, уметь применять на практике теоретические положения процессов ад­сорбции, вычислять адсорбцию по уравнению Гиббса на границе жид­кость - газ, уметь строить графики изотермы поверхностного натя­жения и изотермы адсорбции.

3. ЗАДАЧИ: После изучения темы

а) студент должен знать:

- понятие о свободной поверхностной энергии и поверхностном натяжении, а также о факторах, влияющих на них;

- понятие об адсорбции и ее видах;

- теоретические основы адсорбции ПАВ на границе жидкость-газ и математическое описание данного процесса уравнениями Гиббса, Шишковского и Гиббса-Шишковского;

- природные и синтетические материалы, используемые в ка­честве твердых адсорбентов;

- теоретические основы молекулярной адсорбции на твердых ад­сорбентах и математическое описание данного процесса уравнениями Ленгмюра и Фрейндлиха;

- теоретические основы адсорбции электролитов на твердых ад­сорбентах, описываемые правилами Панета-Фаянса;

- теоретические основы ионообменной адсорбции и применение ионитов в медицине и технике;

- применение сорбентов в медицине.  Гемо-, лимфо-, плазмо- и энтеросорбция как методы лечения некоторых заболеваний;

б) студент должен уметь:

-объяснить причину появления избыточной энергии у молекул на границе границе раздела двух фаз по сравнению с молекулами в глу­бине фазы;

- объяснить особенности строения молекул ПАВ и их ориентацию на границе жидкость-газ, а также влияние длины углеводородного радикала на поверхностную активность;

- выполнять расчеты по уравнениям Гиббса, Шишковского, Гибб­са-Шишковского, описывающие адсорбцию ПАВ на границе жидкость-газ;

- излагать основные положения теорий молекулярной адсорбции и выполнять расчеты по уравнениям Ленгмюра и Фрейндлиха;

- описывать избирательную адсорбцию электролитов из раство­ров в соответствии с правилами Панета-Фаянса;

- описывать ионообменную адсорбцию, приводить схемы ионооб­менных процессов для катионов и анионов;

в) приобрести практические навыки:

- по измерению поверхностного натяжения жидкостей сталагмо­метрическим методом.

ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕМЫ:

1. Понятие о поверхностной энергии и поверхностном натяже­нии.

2. Адсорбция на границе жидкость-газ. Понятие о ПАВ. Уравне­ние Гиббса-Шишковского. Правило Дюкло-Траубе.

3. Адсорбция на твердых адсорбентах. Влияние температуры на смещение адсорбционного равновесия. Уравнение Ленгмюра. Теории молекулярной адсорбции. Уравнение Фрейндлиха.

4. Адсорбция электролитов на твердых адсорбентах: избира­тельная и ионообменная адсорбция. Правило Панета-Фаянса.

5. Применение адсорбентов в медицине. Энтеросорбенты. Гемо-, плазмо- и лимфосорбция.

6. Хроматография.  Роль хроматографии в медико-биологических исследованиях.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

Молекулы жидкости, находящиеся в поверхностном слое на гра­нице жидкость - газ, испытывают со стороны молекул газа значи­тельно меньшее притяжение, чем со стороны молекул жидкости. В ре­зультате возникает сила, направленная внутрь жидкости. Свободная поверхность жидкости находится в состоянии натяжения и представ­ляет собой как бы натянутую пленку, стремящуюся к сокращению, толщина которой равна радиусу сферы молекулярного действия.

Поверхностное натяжение - это сила, отнесенная к единице дли­ны линии, ограничивающей поверхность жидкости, и действующая в сторону уменьшения этой поверхности; обозначается s (сигма). По­верхностное натяжение численно равно свободной энергии единицы площади поверхности и выражается в Джоулях на квадратный метр (Дж/м² или Н/М). Поверхностная энергия системы G_s= sS, (где s - поверхностное натяжение; S - площадь поверхности).

Согласно второму закону термодинамики, система стремится уменьшать свободную энергию поверхности. В чистых жидкостях это осуществляется за счет сокращения площади поверхности (жидкость, на которую не действуют посторонние силы, всегда стремится при­нять форму шара, происходит соединение мелких капель в одну боль­шую). В растворах уменьшение свободной энергии поверхности осу­ществляется за счет перехода в поверхностный слой молекул вещест­ва, имеющего поверхностное натяжение,меньшее поверхностного натя­жения растворителя. Увеличение концентрации вещества в поверхностном слое по сравнению с концентрацией его внутри раствора на­зывается адсорбцией. Вещества, понижающие поверхностное натяже­ние, накапливаются в поверхностном слое. Это поверхностно-актив­ные вещества. К ним относятся органические соединения, в состав молекул которых одновременно входит полярная группа ( -ОН, -СООН, -NН₂) и неполярная углеводородная цепь, т.е. дифильные молекулы. Поверхностный избыток Г (моль/см² или кмоль/м²) есть избыток растворенного вещества содержащегося в 1 см² или 1 м² поверхност­ного слоя по сравнению с количеством вещества в слое такой же площади внутри объема. Зависимость между Г, и концентрацией раст­вора C была установлена Гиббсом:

         С          Δ σ

                                            Г =                ^.

          RT        Δ C

где R - газовая постоянная;

Т - абсолютная температура;

Δ σ

          - бесконечно малое изменение s с бесконечно малым изменением С).

Δ  C

По предложению  П.А.Ребиндера,  величина  была названа поверхностной активностью, так как она характеризует способность вещества пони­жать поверхностное натяжение.