Adsorbtsiya va uning mohiyati

1-rasm. Kumush yod kristali panjarasining yod ionlari bilan to’ldirilishi.
Ionlarning tanlanib adsorbtsiyalanishi ion radiusiga, gidratlanish darajasiga va valentlikka bog’lik, bo’ladi. Ma’lumki, ionning radiusi ortishi bilan uning gidratlanish darajasi kamayadi. Ion qancha kam gidratlangan bo’lsa, u shuncha oson adsorbtsiyalanadi.
Adsorbent – N₂  Sa^2 — adsorbent - Sa  2 N^
Adsorbent - ON  NSl — adsorbent - Sl  N₂O
Bulardan tashkari amfoter ionitlar xam bo’lib, ular sharoitga qarab ba’zan tarkibidagi kationlarni, ba’zida anionlarni almashtiradi. Bir gramm ionit 3-10 milli-ekvivalent ionni almashtira oladi, bu uning almashtirish sig’imini ko’rsatadi.
Amalda ionitlarda, tuproklarda ionlarning adsorbtsiyasi faqat sirtda emas, balki butun xajm bo’ylab ketadi. Shuning uchun butun yutuvchi kompleks sig’imini xisoblash kerak.
Almashinish adsorbtsiyasi 1939 yilda taklif etilgan Nikolskiy tenglamasi bilan ifodalanadi:

G₁ va G₂ - almashinayotgan ionlar miqdori
a₁ va a₂ - ionlar aktivligi
K – ion almashinish konstantasi
z₁ va z₂ - almashinayotgan ionlar valentligi.
Demak, ion almashinish adsorbtsiyasi ximiyaviy reaktsiyaga o’xshagan bo’ladi. Fakat farki shundaki, ion almashinish adsorbtsiyasi sust boradi va uzoq vaqt davomida sistemada muvozanat qaror topadi. Agar ionlar almashinganda muxitning pH i o’zgarsa, adsorbtsiya gidrolitik mexanizmga ega deb xisoblanadi. Ion almashinish adsorbtsiyasi natijasida qattik, jism yuzasi zaryadlanadi va o’ziga eritmadagi qarama-qarshi ionlarni tortib, ikkilamchi elektr qavat xosil bo’ladi. Texnikada ion almashinish adsorbtsiyasidan suvni Sa^, Mg^, Fe^ kabi ionlardan ya’ni mineral tuzlardan tozalashda (qattik, suvlarni yumshatishda) foydalaniladi.
Na₂[Al₂Si₃O₁₀]  Sa^ <> Sa[A1₂Si0₁₀]  2Na^
permutit
Bundan tashqari ion almashinish adsorbtsiyasidan tuprokning disperslik darajasini oshirishida, eritmadan rangli metallar, dorivor moddalar (alkaloid, glyukozid va boshkalar) ionlarini ajratib olishda, sanoatda oqova suvlarni tozalashda keng qo’llaniladi.
Kolloid sistemalarning sirt xodisalariga, adsorbtsiyadan tashkari, xo’llanish, adgeziya, kogeziya, flotatsiya, kapillyar bosim va suyukliklarning yoyilish jarayonlari kiradi.
Ba’zi bir adsorbentlar o’z tarkibida xaraktchan ionogen gruppa tutib, ular elektrolit eritmasida o’zininng biror ionini eritmadagi o’xshash ishorali ionga almashtiradi. Ionlar adsorbtsiyasining ushbu xiliga ion almashinish adsorbtsiyasi deyladi. Ionlarning o’lchamiga va gidratlanish darajasiga bog’lik ravishda adsorbtsiyalanishi Gofmeystrning liotrop katori bilan ifodalanadi. Ushbu qatorga ko’ra kationlar quyidagi tartibda joylashadi, kationlar qatori:
Li^ < Na^ < K^ < Rb^ < Cs^

Anionlar esa quyidagacha joylashadi:
S1^--3"< I^--
Ionlarning valentligi ortishi bilan adsorbtsiyalanish kobiliyati ortadi.
Th^4>Al^3>^:Sa^2>Na^
Chunki ion valentligi qancha yuqori bo’lsa, sirtga tortilishi shuncha kuchli bo’ladi. Ion almashtaruvchi adsorbentlarga: permutit, tseolit, alyuminosilikatlar va bentonitlar (mineral tabiatidagi) shuningdek sun’iy sintetik (organik tabiatidagi) ionitlar kiradi.
Ion almashtiruvchi adsorbentlar kislota yoki asos xarakterida bo’ladilar. Kislota xarakterida bo’lsa va faqat kation bilan almashinsa - kationit, masalan, EKS-50, KB-4, KU-2, SB va boshqalar; asos xarakterida bo’lsa va faqat anion bilan almashinsa - anionit deb yuritiladi. Masalan, EDS-10, PEK, amberlayt T-400 va boshqalar. Agar elektrolit eritmasidan xam anion, xam kation ekvivalent miqdorda adsorbilansa, adsorbtsiya molekulyar tarzda yuzaga chiqadi.

2. 
   Asosiy qism
   

1. 
   Adsorbtsiya muvozanat.
   

Adsborsiya hodisasi ham xuddi suyuqlikning bog’lanishi, moddaning suvda erishi kabi qaytar jarayondir. Har qanday qaytar jarayondagi kabi, bu yerda ham yutilish va ajralib chiqish jarayonlarining tezligi barobarlashib, sistema adsorbsion muvozanatga keladi.
Odatda, adsobrsion muvozanatlar juda tez (sekundlar, minutlarda) qaror topadi.
Sanoatda adsorbsion muvozanat uzoq vaqt davomida qaror topmasa, adsorbsiya boshqa xil jarayonlar bilan murakkablashgan deyish mumkin. Adsorbsion muvozanat holati harorat o’zgarganda o’zgaradi.
Adsorbsiya jarayoni issiqik chiqishi bilan boradi. Adsorbsiya vaqtida ajralib chiqadigan issiqlik adsorbsiya issiqligi deyiladi. Sanoatda haroratni oshirish orqali adsorbentga yutilgan moddani ko’proq qaytadan chiqarish mumkin.

2. 
   Qattiq jism sirtidagi adsorbsiya
   

Qattiq jism ham xuddi suyuqlik kabi, sirt energiyasiga, demak, sirt tarangligiga ega.

Adsorbentning sirt birligiga (1m² ga) yutilgan moddaning gramm - molekula hisobidagi miqdori solishtirma adsorbsiya deyiladi. Solishtirma adsorbsiya Г=x/S ga teng.
X - yutilgan modda miqdori;
S - adsorbent sirti.
Lekin g’ovak-g’ovak tuzilgan qattiq adsorbentlarning (ko’mir silikagel) sirtini o’lchash juda qiyin bo’lgani uchun amalda sanoatda solishtirma adsorbsiyani topishda yutilgan modda miqdori adsorbent og’irligiga bo’linadi.
X/T
X - yutilgan moddaning gramm hisobidagi og’irligi
M - adsorbentning gramm hisobidagi og’irligi.
Moddaning sirt birligiga (1m² ga) yutilishi mumkin bo’lgan eng ko’p miqdori, maksimal solishtirma og’irligi deyilib, Г_m bilan belgilanadi.
Metallurgiya sanoatida adsorblanish maqsadida aktivlangan ko’mir juda ko’p ishlatiladi. Aktivlangan ko’mir g’ovak modda bo’lib, asosan ugleroddan iborat. Turli organik moddalarning havo kirmaydigan mayda kuydirilishidan hosil bo’lgan ko’mirda har xil smolalar bo’lib, ular ko’mirning teshiklarini bekitib qo’yadi. Bu smolalarni yo’qotib, ko’mirning g’ovakligini oshirish maqsadida ko’mir maxsus ishlanadi, ya’ni aktivlashtiriladi. Ko’mir qanday sharoitda aktivlanganiga qarab yo kislotalarni yo asoslarni ko’proq adsorbsiyalaydi.
Metallurgik jarayonlarda 900°C da aktivlangan toza ko’mir kislotalarni, 400-450°C da aktivlangan ko’mir asoslarni adsorbsiyalaydi.
Sanoatda adsorbsiya bilan bog’liq ishlarda ko’mirdan tashqari, boshqa bir adsorbent silikatel ham ishlatiladi. Silikatel silikat kislotaning suvsizlantirilgan geliydir. U asosan asoslarni adsorbsiyalaydi.
Adsorbsiya jarayoni bu moddani ikkinchisida so’rilishi bo’lib, kimyoviy texnologiyada katta rol o’ynaydi.
Masalan, gaz aralashmalarini ajratib tozalashda aktiv ko’mir, silikagel, kolloid moddalar kabi adsorbentlar ishlatiladi.
Adsorbsiyadan koks gazlaridan benzol olishda foydalaniladi. Buning uchun aktiv ko’mir bilan to’latilgan adsorberga adsorbent to’yinguncha gaz aralashmasi yuboriladi. So’ngra adsorberga 100°C li suv bug’i beriladi, suv bug’i ko’mirga yutilgan benzolni siqib chiqaradi. Natijada, benzol va suvdan iborat sistema hosil bo’ladi. Benzol suvda erimasligi uchun endi benzolni ajratib olish qiyin bo’lmaydi.
Gazlar aralashmasini ajratishda ketma-ket adsorbsiya o’tkaziladi. Avval past haroratda gazlar aralashmasi adsorbentga yuttiriladi. Keyin asta-sekin qizdirilganda gazlar o’zining qaynash haroratiga muvofiq adsorbentdan chiqa boradi.
Shu tariqa geliy va boshqa inert gazlar olinadi.

3. 
   Xemosorbtsiya tushunchasi.
   

Shunday qilib, sirt hodisalar tabiati, ya’ni sirtda u yoki bu jarayonning borishi fazalararo chegara sirtning xolati bilan bog’liqdir. Shuning uchun fazalararo sirtlar termodinamikasini o’rganish kolloid kimyoda katta ahamiyat kasb etadi. Sirt kavatlar termodinamikasini xarakterlaydigan kattalik sirt taranglikdir. Sirt taranglik esa adsorbtsiya hodisasi bilan bevosita bog’liq.
Suyuklik yoki qattiq jism sirtida boshqa modda molekulalari, atomlari yoki ionlarining o’z-o’zicha yig’ilishiga adsorbtsiya deyiladi. Moddani yutgan sirt - adsorbent. Yutilayotgan modda esa adsorbtiv deyiladi.
Adsorbtsiyaga oid dastlabki ilmiy tekshirish ishlari T.E. Lovits nomi bilan bog’liq. U 1792 yilda eritmalarni turli ko’shimchalardan tozalash uchun qattiq adsorbent sifatida ko’mirdan foydalandi.
Adsorbtsiya hodisasi ko’mirgagina emas balki boshqa barcha g’ovak moddalarga ham xosdir. Masalan turli gellar o’z sirtiga har xil bo’yoqlarni yutadi.
Yutilgan modda yutuvchining ichki tomoniga diffuziyalanishi mumkin. Bu hodisa adsorbtsiya deyiladi. Agar modda geterogen sistemada bo’ladigan ximiyaviy reaktsiya tufayli yutilsa, bu hodisa xemosorbtsiya deyiladi. Natron ohak bilan sulfid angidrid orasidagi xemosorbtsiya bunga misol bo’la oladi. Xemosorbtsiya qaytmas jarayonlar jumlasiga kiradi. Ba’zan o’z kritik temperaturasidan past temperaturadagi gaz sorbtsiya vaqtida qattiq jism g’ovaklarida kondensatlanib suyuqlikka aylanadi. Bu hodisa kapillyar kondensatsiya deyiladi.
Adsorblangan gaz qattiq jism sirtida bir yoki bir necha katlam molekulalardan iborat bo’lishi mumkin. Shunga ko’ra adsorbtsiyalanish monomolekulyar yoki polimolekulyar adsorbtsiyalanish deb nomlanadi.
Adsorbtsiyalangan molekula adsorbtsion qavatda kancha vaqt davomida istiqomat qilishi adsorbtsiya vaqti deb ataladi. Adsorbtsiya vaqti S.Ya. Frenkel tenglamasiga binoan qo’yidagicha ifodalanadi:

bunda Q- molekula bilan sirt orasidagi o’zaro ta’sir energiyasi, t₀- molekula bilan sirt orasida hech qanday tortishish kuchlari mavjud bo’lmagan sharoitdagi adsorbtsiya vaqti.
Adsorbtsiya qo’yidagi fazalararo chegara sirtda borishi mumkin:
1. Suyuqlik – suyuqlik yoki eritma - gaz
2.Qattiq jism - gaz
3. Qattiq jism - eritma.
Adsorbtsiya (G) fazalararo chegara sirtning yuza birligiga (I m² yoki I sm²) to’plangan modda miqdoridir. Adsorbtsiya gazning bosimiga -R ga, eritmaning kontsentratsiyasi S ga , temperatura T ga, adsorbent va adsorbtiv tabiatiga, adsorbentning solishtirma sirt yuzasi S ga va sirt taranglikka bog’lik.
Gf (S, T. R, S, )


Suyuqlikning ichki qismidagi (hajmidagi) molekulani (11-rasm a-holat) boshqa molekulalar hamma tomondan bir xilda tortib turadi va barcha kuchlar bir-birini muvozanatlaydi. Bu holda teng ta’sir etuvchi kuch nolga teng, (F0). Suyuqlik sirtida joylashgan molekulani (b-holat) suyuqlik ichidagi qo’shni molekulalar kuchliroq tortadi, lekin gaz fazadan o’sha molekula juda oz kuch bilan tortiladi. Shu sababli sirtning yuzasida ortiqcha erkin energiya (F) yoki sirt energiyasi (G_s) paydo bo’lib qoladi. O’sha sirt energiya ta’sirida suyuqlik sirtida turgan molekulalar mumkin qadar suyuqlik ichiga kirishga intiladi, ya’ni suyuqlik
o’z sirtini kamaytirishga harakat qiladi.