СОРБЦИЯ

АДСОРБЦИЯ

Ы всегда стараемся понять явления, которые наблюда­ем в природе. Почему же пары бензина, нафталина, духов и аптечных лекарств задерживаются на ткани и во­обще на всяких поверхностях?

Вопрос этот довольно сложный. Нам придется вспом­нить, как в настоящее время ученые разъясняют строение твердого вещества. Все вещества — дерево, металл, ткани, песок, уголь — состоят из мельчайших кристаллов той или иной формы. Уголь состоит из кристаллов углерода, пе­сок — из кристаллов двуокиси кремния, железо — из кри­сталлов железа и соединения железа с углеродом и дру­гими веществами. Наш всегдашний спутник — поварен­ная соль — состоит из кристаллов хлористого натрия.

Кристаллы веществ построены из атомов. В кристалле поваренной соли, например, имеются атомы металла нат­рия и хлора. Кристаллики поваренной соли прочны, они не рассыпаются сами собой. Эта прочность обусловлена тем, что атомы, составляющие кристалл, притягиваются друг к другу электрическими силами. Атом натрия в кристалле имеет положительный электрический заряд, а атом хло­ра — отрицательный. Противоположные заряды, как из­вестно, притягиваются друг к другу. На рис. 1 показано, как из взаимно притягивающихся друг к другу атомов нат­рия и хлора может образоваться целая конструкция — так называемая кристаллическая решетка. Здесь каждый атом натрия удерживает около себя атом хлора. Связь эта до­вольно прочна. Попробуйте растереть соль в мелкий поро­шок — это можно сделать только при помощи ступки, да и то со значительными усилиями. Растирая соль, вы разрываете электрические связи между заряженными атомами!

Когда разрушают взрывом старое железобетонное зда­ние, на его обломках видны остатки железных стержней — связей, которые обеспечивали прочность всей конструкции. А куда же деваются электрические связи между атомами, когда разрушается кристалл? Они разрываются, а элек­трические силы остаются свободными. Вся поверхность кристалла покрыта этими свободными электрическими силами, способными притянуть к себе атомы, находящиеся вне этой поверхности. Вот эти невидимые силы и удержи­вают атомы газов и паров различных веществ на поверх­ности твердого тела.

Да почему же мы говорим только о газах и парах? А разве атомы и молекулы растворенных веществ не мо -

Гут притягиваться из раствора к твердой поверхности какого-нибудь порошка, насыпанного в раствор? Конечно, могут! Ведь здесь действуют те же самые силы — силы электрического притяжения между атомами.

Теперь вы понимаете, что поверхность твердого тела — это не мертвая, монотонная пустыня, не просто контур, об­рисовывающий поверхность каждой вещи. Это — изуми­тельная арена борьбы электрических сил притяжения и от­талкивания. Атомы вещества, составляющие твердое тело, взаимно и одинаково притягивают друг друга только внут­ри кристалла. А вот на поверхности кристалла повсюду имеются участки, на которых проявляются остаточные электрические силы притяжения. Посмотрите на рис. 2. Здесь изображена часть поверхности кристалла в разрезе. Атомы вещества, находящиеся на самой поверхности, не полностью связаны со своими соседями по кристалличе­ской решетке; у них остаются избыточные силы, показан­ные пунктиром. Вот в это «силовое поле» и попадают моле­кулы газов и паров, находящиеся вблизи поверхности твердого поглотителя (адсорбента).

Действие поверхностных электрических сил распрост­раняется на ничтожно малое расстояние. Поэтому непра­вильно думать, что молекулы газа со всех сторон притяги­ваются к поверхности из окружающего пространства, что наш поглотитель представляет собою что-то вроде насоса. Нет, он скорее похож на липкую бумагу для мух. Ведь бу­мага тоже не притягивает к себе мух, она удерживает на своей поверхности только тех мух, которые ее коснулись, да и то не всех: более сильные отрываются и улетают.

Молекулы газов (паров) беспорядочно, с большой ско­ростью движутся в пространстве и непрерывно бомбарди­руют поверхность предметов, с которыми эти газы сопри­касаются. Если молекула попадает на то место поверхно­сти, где имеются остаточные силы, маленькие электриче­ские силовые поля, могущие притянуть к себе молекулу, последняя задержится на этом месте более или менее дол­гое время. Молекула газа, обладавшая большой энергией и двигавшаяся быстро, быстро вырывается из плена элек­трических сил и покидает поверхность адсорбента. Она улетит в окружающее пространство и, так как движение ее беспорядочно, может снова вернуться на ту же поверхность.

Если молекула более «слабая», а электрическое поле поверхности в месте падения молекулы достаточно силь - ное* молекула газа задержится более долгое время. Нако­нец, если молекула ударится о место поверхности, на кото­ром нет силового электрического поля, она тотчас отскочит, как упругий шар.

Сколько же времени молекула газа может задержи­ваться на поверхности адсорбента? Очень недолго: всего от десятитысячных до стотысячных долей секунды. «Так ма­ло?» — спросите вы. Тогда непонятно, как же некоторые поглотители (адсорбенты), с которыми мы познакомимся ниже, могут, удерживать вполне ощутимые, весомые коли­чества газов и паров.

Представьте себе платформу железнодорожных весов, на которых можно взвешивать целые вагоны. Пусть попе­рек этой платформы идет длинная вереница людей, так, что на платформе одновременно оказываются три челове­ка; это будет зарегистрировано весами. Каждую секунду на платформу вводит один человек и сходит с нее тоже один человек. Вереница людей движется непрерывно, а весы показывают одну и ту же цифру — вес трех человек, так как количество людей, прибывающих на платформу и покидающих ее, в единицу времени остается постоянным.

Не изменяя скорости движения, попросим наших людей идти через платформу весов по диагонали. Тогда каждый человек будет находиться на весах дольше, на платформе уместится большее количество людей, скажем шесть чело­век; в этом случае при той же скорости движения весы по­кажут цифру в два раза большую.

Когда весы придут в равновесие, мы можем попросить всю вереницу людей бежать с любой скоростью или пле­стись еле-еле: все равно равновесие при этом не изменится. Важно здесь то, что на платформе весов всегда пребывает определенное количество людей. То же происходит и на поверхности адсорбента. Чем дольше молекулы задержи­ваются на поверхности, тем большее количество их одно­временно на ней присутствует, тем больше величина ад­сорбции. Время пребывания молекул на поверхности, как мы говорили, очень мало; в «игре» участвуют миллиарды молекул, что и приводит к совершенно ощутимым, ве­сомым количествам адсорбированного газа. Когда ко­личества приходящих и уходящих в единицу времени молекул равны, наступает, как говорят, адсорбционное равновесие. И в этом равновесии продолжается непре­рывное хаотическое движение молекул.

Понятно, что если увеличить давление газа, то есть уве­личить количество молекул, бомбардирующих поверхность, то адсорбция возрастет. Наоборот, если откачивать газ насосом, то не всякая молекула, покинувшая поверхность, будет иметь возможность вновь возвратиться на нее, и ад­сорбция начнет уменьшаться, газ будет десорбироваться.

Мы часто используем явление десорбции и, конечно, не применяем никаких насосов. Чтобы скорее удалить па­ры нафталина с одежды, ее проветривают. При этом мо­лекулы паров нафталина, покидающие поверхность, уно­сятся чистым воздухом и не возвращаются обратно.

Из физики известно, что при нагревании газа энергия его молекул возрастает. Значит, при повышении темпера­туры молекулы адсорбированного газа начнут с большей легкостью преодолевать силы притяжения поверхности, начнут улетать с нее* десорбироваться. Десорбцию, следовательно, можно вызвать не только откачкой газа насосом, но и повышением температуры адсорбента, содержащего газ.

Иногда очень трудно начисто отмыть флакон из-под хо­роших, сильно пахнущих духов. Это объясняется тем, что пары некоторых ароматических веществ крепко удержи­ваются поверхностью стекла. Прогревание же флакона в печке или духовке обычно приводит к желаемым резуль­татам.

А сушка? Всегда, когда нужно высушить какой-либо материал (дерево, зерно, уголь, бумагу и т. п.), мы обраба­тываем его при повышенной температуре. В этом случае молекулы воды (а она-то и обусловливает влажность мате­риала) десорбируются (испаряются) не только с поверх­ности, но и из глубинных слоев адсорбента.

Мы все время говорим о молекулах, то есть о ничтож­но малых количествах газов и паров. А на самом деле в технике поглощения парообразных веществ адсорбируе­мые количества весьма велики. Например, одна тонна спе­циально приготовленного угля может поглотить до двух­сот килограммов паров бензина, то есть 280 литров цен­ного горючего. А одна тонна поглотителя водяных паров (твердые пористые зерна двуокиси кремния — «силикаге­ля») улавливает более четверти тонны воды из влажного воздуха. Подумайте только, что почти все количество по­глощенных паров ценных веществ (бензола, бензина, спир­та и др.) может быть десорбировано и легко сконденсиро­вано в виде жидких продуктов, и вы поймете, как высоко ценятся сорбционные процессы в народном хозяйстве!

Как измерить адсорбцию газа? Можно ли ее наблю­дать?

Наблюдать адсорбцию можно очень просто. На чашку обыкновенных магазинных весов поставьте небольшое решето. Если весы не стрелочные, решето с углем необхо­димо уравновесить гирями. В решето насыпьте побольше угля, взятого из старого противогаза. Если теперь на по­верхность угля направить слабую струю углекислого газа, того самого, которым газируют воду, то через несколько секунд можно увидеть, как решето с углем довольно за­метно прибавит в весе. Для этого опыта я взял именно ре­шето, а не коробку, так как вы могли бы возразить, что прибавление в весе вызвано самим углекислым газом, который тяжелее воздуха.

Вам придется долго ждать, пока уголь «проветрится», газ десорбируется и весы снова придут в равновесие.

В научных лабораториях адсорбция исследуется точ­ными методами. Вот один из них (рис. 3). В стеклянной трубке подвешена миниатюрная пружинка, сделанная из тонкой кварцевой нити. Кварц — это горный хрусталь, про­зрачное кристаллическое вещество; при сильном разогре­вании из него, как и из стекла, могут быть вытянуты нити.

К нижнему концу пружинки подвешена стеклянная чашечка, в которую и помещают исследуемый адсорбент в количестве 0,1—0,3 грамма. Из стеклянной трубки насосом предварительно откачивают весь воздух через ее боковой отросток. Затем через этот отросток малыми порциями впу­скают пары того вещества, адсорбцию которого хотят исследовать. Пары входят в трубку и адсорбируются на по­глотителе; вес поглотителя увеличивается. Поглотитель, став более тяжелым, растягивает пружинку, и чашечка опускается вниз. Это удлинение пружинки настолько мало, что простым глазом незаметно. Но микроскоп, поме­щенный сбоку, дает возможность обнаружить это удлине­ние. Обычно оно равно сотым долям миллиметра.

Конечно, вам уже ясно, что прибор представляет собою не что иное, как обычный пружинный безмен, но обладаю­щий большой точностью взвешивания. При каждом впуске

Пара по манометру можно отметить его давление и величи­ну поглощения на адсорбенте. Эти данные являются наи­лучшей характеристикой поглотителя. По ним можно су­дить, насколько пригоден адсорбент для того или иного заводского процесса.