CÁC HIỆN TƯỢNG BẺ MẶT
5.3. HẤP PHỤ CHÁT TAN TRÊN BÈ MẶT RẮN
5.3.1. Hấp phụ phân tử
Đây là sự hấp phụ của các chất không điệti ly (hoặc chất ít điện ly) lên bề mặt chất hấp phụ rắn trong một th ể tích dung dịch V (lít). Ví dụ: khi khảo sát sự hấp phụ của các chất màu, chất hữu cơ, của acid acetic lên than hoạt. Để xác định lượng acid acetic nguyên chất trong V lít dung dịch acid trên m g than hoạt, ta dựa vào phương trình sau:
x = <C' - - C >y Ị (5.13)
- x: là so mol của acid acetic bị hấp phụ trên lượng m g than hoạt đã dùng - v: thể tích dung dịch acid acetic khảo sát (lít).
- c 0: nồng độ ban đầu của chất tan bị hấp phu (mol/1)
- c : nồng độ cân bằng của chất tan sau khi bị hấp phụ (mol/1) Số mol acid acetic bị hấp phụ trên lg than hoạt là y = —
m
N ếu X tính bằng milimol, phải nhân công thức trên với giá trị 1000.
Sự phụ thuộc lượng acid acetic bị hấp thụ lên bề mặt than hoạt trong dung dịch theo nồng độ được biểu diễn bởi phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir hoặc phương trình đẳng nhiệt Freundlich.
157
Trong dung dịch loãng, sự hấp phụ chất tan acid acetic lên bề mặt rắn than hoạt tuân theo phương trình Lan^muir:
â 3nv' kC (5.14)
ỉ + k.c
Nếu áp suất p được thay bằng nồng độ dung dịch chất tan c bị hấp phụ, thì các đại lượng khác đều có ý nghĩa tương tự.
ở những miền có nồng độ chất tan không cao, sự hấp phụ được tính theo phương trình thực nghiệm của Freundlich:
y = a = - ^ = k .c%
m (5.15)
k và — là những hằng số phụ thuộc, xác định nhờ thực nghiệm: 0 < — < 1
n ■ n
Ố.3\.2. Xác định phương trinh th ự c nghiệm của Freundlich
Muôn xác định các hằng số 1/n và k của phương trình Freundlich y = k .c người ta chuyển phương trình mũ sang dạng logarit thập phân như sau :
!/
\g y = - \ g C + \gk
n (5.16)
Đồ thì của hàm lgy theo lgC là một đường thẳng không qua gốc tọa độ.
Từ đồ thị trên ta có thể xác định được:
a là góc nghiêng hợp bởi đường biểu diễn của lg c với trục hoành.
— = tg a = OB/O A n
158
Đường biểu diễn cắt trục tung ở B và cắt trục hoành ở A.
Xác định được độ dài OB ta suy ra k: OB = Ig k => k
X á c định được — và k, như thế ta đã thiết lập được phương trình đẳng nhiệt hấp n
phụ của Freundlich từ thực nghiệm.
y = k.c‘n
p4ẳ.z,z, Những yếu tố ảnh hưởng tới hấp phụ phân tử 5.3.3.1. Ảnh hưởng của dung môi
Vì các phân tử dung môi và chất tan đều có khả năng hấp phụ lên bề mặt chất hấp phụ rắn trong dung dịch, nên sự hấp phụ này là cạnh tranh.
Nếu SCBM của dung môi càng cao thì khả năng hấp phụ của nó càng giảm, khi đó chất tan càng được hấp phụ ưu tiên trên bề mặt rắn nhiều hơn. Như vậy sự hấp phụ chất tan ở nước thường tốt hơn trong dung môi hữu cơ là hydrocacbon, hoặc những chất có sức căng bề mặt nhỏ.
5.3.3.2. Ành hưởng của chất hấp phụ
Phụ thuộc vào bản chất, độ xốp của chất hấp phụ mà quá trình hấp phụ xảy ra theo những đặc trưng khác nhau.
Nếu chất hấp phụ không phân cực thì sẽ hấp phụ tốt chất tan cũng không phân cực. Chất hấp phụ phân cực hấp phụ ưu tiên chất tan phân cực.
Khi kích thước mao quản lỗ xốp của chất hấp phụ lổn hơn kích thước trung bình của chất bị hấp phụ, sự hấp phụ có kết quả tốt. Nếu kích thước mao quản lỗ xốp của chất hấp phụ nhỏ hơn phân tử chất tan thì các phân tử chất tan không chui vào trong mao quản được, sự hấp phụ sẽ khó khăn hơn.
5.3.3.3. Ảnh hưởng của chất bị hấp phụ
Ảnh hưởng của chất tan tới sự hấp phụ lên bề mặt rắn trong dung dịch khó đưa ra một kết luận chung. Sự hấp phụ ở đây chủ yếu phụ thuộc vào bản chất hấp phụ và môi trường phân cực hay không phân cực.
Ví dụ: ở môi trường không hoặc phân cực yếu, chất thân nưđc phân cực hấp phụ tốt chất HĐBM. Ngược lại chất sơ dịch không phân cực cũng hấp phụ tốt chất HĐBM ở môi trường phân cực như nước.
Đây là cơ sở của thực tế dùng các chất phân cực như silicagel, đất sét để hấp phụ các chất HĐBM ở môi trường không phân cực và dùng các chất không phân cực như than để hấp phụ chúng, ở môi trường phân cực.
159
Ngoài ra còn nhiều yếu tố khác như: trọng lượng phân tử chất tan cũng ảnh hưởng sự hấp phụ.
Thường chất tan có phân tử lượng lớn thì khả năng bị hấp phụ càng mạnh. Ví dụ: alkaloid, phẩm màu có trọng lượng phân tử lớn nên thường bị hấp phụ nhiều hơn chất phân tử lượng nhỏ.
Các hợp chất thơm thường bị hấp phụ nhiều hơn chất mạch thẳng.
Sự hấp phụ các chất tan trong dung dịch lên bề mặt rắn thường chậm hơn sự hấp phụ các khí trên bề mặt rắn khí.
Trong dung dịch khi sự hấp phụ xảy ra, nồng độ chất bị hấp phụ ở ranh giới giảm đi, điều này chỉ được bổ sung bằng con đường khuếch tán, sự khuếch tán ở dung dịch chậm hơn rất nhiều so với trạng thái khí. Vì vậy, để tăng hiệu quả hấp phụ người ta thường phải khuấy trộn lắc dung dịch cho sự khuếch tán chất tan được nhanh hơn.
Khi nhiệt độ tăng, thường hấp thụ lên bề mặt rắn giảm. Tuy nhiên sự giảm hấp phụ trong dung dịch ít hơn so với hấp phụ trên bề mặt rắn.
Một Số ừng dung của hấ p p h ụ phần tử
Sự hấp phụ các chất tan trong dung dịch có nhiều ý nghĩa quan trọng, trong các quá trình hoá lý xảy ra ở cơ thể sinh vật.
Sự chuyển hoá thức ăn thường bắt đầu là sự tập trung các chất lên bề mặt các xúc tác men. Sự vận chuyển các chất qua màng tế bào thường là quá trình hấp phụ, tiếp sau là hấp thụ.
Trong đời sống người ta dùng than hqat để loại jchất màu, chất bẩn, làm trong siro dung dịch đường bằng bôt giây, làm sach các dầu nhờn bằng đất sét hoạt hoá.,.
Trong khoa học kỹ thuật, nhiều chất tan khó xác định tính chất, được tách và nhận biết bằng phương pháp sắc ký (sắc ký cột, sắc ký giây), người ta cho dung dịch hỗn hợp các chất cần phân tách chảy qua cột các chất rắn hấp phụ AI2O3 MgO, silicagel hoặc cho thấm dần theo chiều dọc của giấy sắc ký. Sau một thời gian, do khả năng hấp phụ và phần hấp phụ của các phân tử cần tách vđi bề mặt rắn khác nhau mà dần dầĩi những phân tử cẩD- tách đựđc ghan bo ở những vị trí khác nhau trên cột hoặc trên giấy. Dựa vào màu Sắc của,¥ấLsẩcJLỵ ở những vị trí khác nhau, người ta có thể xác định được bản chất của chất cần phân tích,
Trong dược liệu để chiết xuất p-caroten, clorophyl... người ta dùng dung môi hữu cơ hexan và cho dung dịch đã hấp thụ qua cột than hoạt hoặc silicagel để tách các chất cần nghiên cứu.
160
Để sản xuất vitamin B12, người ta dùng than hoạt để hấp thụ B12 từ dịch nuôi cấy, tinh chế vitamin B12 trên cột nhôm oxyd và rửa B12 bằng aceton. Trong ngành Dược, việc sử dụng than hoạt, kaolin, pectin kết hợp với các kháng sinh để hấp phụ độc tố và diệt vi khuẩn trong trường hợp rối loạn tiêu hoá, nhiễm khuẩn.
5.4. S ự HẤP PHỤ CHÁT ĐIỆN LY
Trong nước, phân tử các chất điện Ịy phân ỉy thành những ion và bị hydrat hoá thành các ion có kích thước khác nhau.
Các yếu tố ảnh hưởng của chất điện Sỵ 5.4.1. Ảnh hưởng của bán kính ion
Khi hydrat hoá những ion có cùng điện tích, ion nào có bán kính lớn sẽ có bán kính hydrat hoá bé khả năng bị hấp phụ mạnh.
Bán kính ion hydrat hóa Hình 5-12. Bán kính thật của các cation vả bán kính hydrat hoá.
Bán kính hydrat hoá lớn ngăn cản sự hấp phụ nhiều. Từ đó khả năng hấp phụ của các ion được sắp xếp thành dãy thứ tự:
Cation hoá trị một: Li+ < Na+ < K+ < Rb+ < Cs+.
Cation hoá trị hai: Mg+2 < Ca+2 < Sr+2 < Ba+2.
Anion hoá trị một: c r < Br" < NQ 3" < r < CNS'.
5.4.2. Ảnh hưởng của điện tích ion
Những ion có hoá trị khác nhau thì điện tích của ion đóng vai trò quyết định theo thứ tự ưu tiên hấp phụ khác nhau.
Hoá trị của ion càng lớn, càng dễ bị hấp phụ vào bề mặt có điện tích trái dấu.
Khả năng hấp phụ của các cation tăng theo điện tích với thứ tự ở bảng sau:
K+ < Ca+2 < Al+3 < Th+4.
HLD-T10 161
5.4.3. Hấp phụ c h ọ n !ọc^
Trong hoá học của hệ keo, các hạt keo có nhân do hấp phụ tập hợp nhiều phân / tử lớn dần, điều này cũng giống như sự kết tinh từ những mầm tinh thể của các chất
lổn dần lên để tạo ra những tinh thể to.
Khi hấp phụ những ion để hoàn thành mạng tinh thể, quá trình này sẽ hấp phụ ưu tiên những ion ở dung dịch có trong thành phần câu tạo bề mặt nhân, hoặc những ion đồng hình với ion có bề mặt rắn.
Ví dụ: bề mặt rắn là nhân của một hệ keo n(Agl).
"1 Trong dung dịch có các ion I ", Ca2+, Mg2+, K+ th^Iybi hấp phụ ưu tiên trước.
~f Nếu dung dịch không có I ■ mà có Br ■ thì nó cũng ưu tiên Br ' trước, vì Br ■ có cấu tạo đồng hình với r.
—p Sau khi hấp phụ ưu tiên Ị", bề mặt rắn tích điện sẽ hấp phụ những ion trái dâu với điện tích bề mặt. V/
Trong dung dịch có nhiều loại ion trái dấu thì bề mặt rắn sẽ hấp phụ ion có điện tích lớn. Nếu cùng điện tích thì sẽ ưu tiên hấp phụ ion nào có bán kính lớn vđi vỏ hydrat nhỏ.
Trong ví dụ trên bề mặt n(Agl) hấp phụ r tạo ra lớp hấp phụ n(AgI ) mì', Pha hấp phụ n (Agl) m ĩ hấp phụ Ca+2. Lực hút tĩnh điện kéo ion Ca+2 vào sát bề mặt. Các ion r và Ca+2 tạo một lớp điện kép ở bề mặt rắn-lỏng.
Sự hấp phụ chọn lọc quyết định sự hình thành và cấu tạo của hạt keo.
5.5. HẤP PHỤ TRAO ĐỔI ION
5.5.1. Định nghĩa: Hấp phụ trao đổi ion là trường hợp hấp phụ đặc biệt bao gồm cả hai quá trình hấp phụ và trao đổi ion. Trong trường hợp này bề mặt pha hấp phụ chứa nhũhg ion có khả năng trao đổi thuận nghịch với những ion có điện tích cùng dấu ở trong dung dịch. Ví dụ: Dùng nhựa trao đổi ion để loại NaCl khỏi dung dịch nước muối.