HATÁRFELÜLETI JELENSÉGEK

1. HATÁRFELÜLETI JELENSÉGEK Készítette Varga István VEGYÉSZETI-ÉLELMISZERIPARI KÖZÉPISKOLA CSÓKA

2. Két egymással érintkező fázis között határfelület található, amelynek energiatartalma, fizikai-kémiai tulajdonságai különböznek az egyes fázisok energiatartalmától és tulajdonságaitól. • A határfelület a szemlélt fázis azon rétege, amely érintkezik a másik fázis utolsó rétegével. • Határfelületnek mindig annak a fázisnak a felületét vesszük, amelynél a molekulák közötti vonzóerők erősebbek. • Határfelület kialakulhat: • ha folyadék érintkezik gázzal, • ha két egymással nem vagy részben elegyedő folyadék érintkezik, • ha szilárd anyag érintkezik valamilyen folyadékkal és • ha szilárd anyag érintkezik gázzal.

3. Felületi feszültség

4. Ha folyadék érintkezik gázzal (vagy gőzzel) vagy másik nem elegyedő folyadékkal, az érintkezési felületek a felületi feszültség következtében, minimális értéket igyekeznek felvenni (gömb alakúak lesznek). • Ez azzal magyarázható, hogy a folyadék belsejében azonos molekulák közötti kölcsönhatások érvényesülnek, míg azokra a molekulákra, amelyek közvetlenül a fázisfelületnél helyezkednek el nagyobb vonzás érvényesül a belső folyadékréteg irányába, mint a környező anyag molekuláihoz.

6. Ennek eredményeképpen a folyadékfelszínen a felszínre merőleges irányú, a folyadék belseje felé mutató nyomás hat, amely ezt a felületet minimálisra igyekszik csökkenteni. Tehát, ha a felületet növelni akarjuk, akkor ehhez energiabefektetés szükséges. Az egységnyi új felület létrehozásához szükséges energiát fázisok közötti vagy felületi feszültségnek nevezzük és σ-val jelöljük.

7. A felületi feszültség (σ) függ a: • folyadék tulajdonságaitól, • A folyadékkal érintkező anyag tulajdonságaitól, • Hőmérséklettől. • A hőmérséklet növekedésével a felületi feszültség csökken.

8. Adszorpció

9. Definíció: • Adszorpciónak nevezzük azt az anyagátbocsátási műveletet, amely során szilárd anyag felületén gázt, gőzt, vagy folyadékot kötünk meg. • Az adszorpcióval ellentétes irányú folyamatot deszorpciónak nevezük. A szilárd anyagot, amely a megkötést végzi, adszorbensnek, míg a megkötött anyagotadszorptívumnak, vagy adszorbátumnak nevezzük.

10. Az adszorpció mechanizmusa Az adszorpció az adszorbens szemcséi, valamint az adszorptívumrészecskéi között fennálló tömegvonzásonalapszik. • Az adszorbens belsejében ható kochéziós erők egymást kiegyenlítik. • A felületen azonban a vonzóerők egy része csak az adszorbens belseje felé van lekötve, a környezeti fázis irányában szabadon hatnak, és így képesek az ott levő idegen részecskéket odavonzani és megkötni.

11. Adszorbens szemcse Adszorptívum részecske Kifelé ható adhéziós erők Lekötött kochéziós erők

12. A kifelé ható erők nagysága arányos a felülettel, azért az adszorbensnek minél nagyobb felületűnek kell lennie. • Az adszorpció kezdeti szakaszában az adszorbens részecskéi nagy szabad felülettel rendelkeznek, így időegység alatt sok adszorptívum részecske kötődhet meg: az adszorpció sebessége is nagy. • Egy idő után a deszorpció sebessége eléri az adszorpcióét, és beáll a dinamikus egyensúly: ahány részecske megkötődik időegység alatt, ugyanannyi deszorbeálódik.

13. Egyensúlyi állapotban az egységnyi adszorbens tömegén (mad) megkötött anyag tömege (m), egyenesen arányos a megkötött anyag folyadék illetve gázfázisbeli koncentrációjával (xilletve p). Folyadékok esetében Gázok esetében a, b, m ésn– állandók, amelyek az adszorbens és adszorptívum tulajdonságaitól függenek.

14. Adszorpciós izotermák Folyadékok esetében Gázok esetében

15. A diagramokon azt látjuk, hogy állandó hőmérsékleten, minél nagyobb az adszorptívumkoncentrációja a folyadékban illetve parciális nyomása a gázban, annál nagyobb mennyiségben kötődik meg az adszorbens felületén. • Az adszorbens és az adszorptívumot hordozó fázis érintkezési felülete is kihatással van a megkötött anyag mennyiségére.

16. Az adszorpció sebessége • Az egységnyi idő alatt megkötött anyag tömege egyértelműen utal az adszorpció sebességére. Ez egyenesen arányos a hajtóerővel, illetve az adszorptívum koncentrációkülönbségével, ami a hordozófázisban és a határrétegben uralkodik:Δx = x - xh, továbbá az érintkezési felülettel ( A ) és a határréteg anyagátadási tényezőjével (βh ). Képletbe foglalva:

17. Az adszorpció fajtái Megkülönböztetünk: • Fizikai, és • Kémiai adszorpciót (kemoszorpció). • A kémiai adszorpció általában nem megfordítható folyamat, vagyis a deszorpciót nem lehet végrehajtani.

18. Az adszorbensek jellemzői és fajtái • Adszorbensként pórusos szilárd, nagy fajlagos felületű anyagok használatosak. • A fajlagos felületet általában egységnyi tömegre vonatkoztatják. • Az iparban adszorbensként főleg: - aktív szenet, - ásványi adszorbenseket (szilikagél, zeolit), - szintetikus ioncserélő gyantákat (ionitokat) használnak.

19. Az adszorbensek iránti követelmények • Nagy legyen az aktivitásuk (nagy adszorpciós képesség kis adszorptívum koncentráció esetén is); • Nagy szilárdság a gyakori hőfokváltozás miatt; • Kémiai ellenállóképesség az alkalmazandó gázokkal, gőzökkel, folyadékokkal szemben; • Jó elválasztó képesség a kívánt alkotórészre vonatkoztatva, vagyis az adszorbeált anyag könnyű deszorpciója.

20. Alkalmazása: • Gázok tisztítására és szárítására, • Folyadékok tisztítására és derítésére, • Gáz- és gőzelegyek szétválasztására, • llékony oldószergőzök kinyerésére levegőből, vagy más gázokból. • Az adszorpció elsősorban a megkötendő komponens alacsonykiindulási koncentrációja esetén használatos.

21. Kromatográfia

22. Definíció: • A kromatográfia valamely keverék összetevőinek szétválasztása, amely azon alapszik, hogy a különböző alkotók nem egyenletesen mennek át az egyik fázisból a másikba, amellyel a keverék érintkezésbe kerül. • Az elválasztás abból ál, hogy a kivizsgálandó keveréket megfelelő oldószerben elkeverve (mozgófázis) átvezetik az álló fázisba. Eközben a kivizsgált anyagok különbözőképpen oszlanak meg az álló és a mozgó fázis között.

23. Alsó réteg: klorofill-A (kékeszöld) Középső réteg: klorofill-B (sárgászöld) Fölső réteg: karotinoidok (sárga)

24. Megoszlási kromatográfia • Az oszlopot szilikagéllel kell megtölteni, amit előtte vízzel nedvesítettünk. • A kivizsgálandó anyagból készült oldatot ezután keresztül engedjük rajta, amely anyag olyan szerves oldószerben van oldva, amely vízzel nem keveredik, és amely előhívószerként is szolgál. • A módszer leginkább az aminosavak szétválasztására szolgál.

25. A szétválasztás azért lehetséges, mert a víz, mint poláros oldószer a szilikagélhez kapcsolódik, álló fázistalkotva, míg a szerves oldószer, az oszlopon keresztülhaladva, a rendszer mozgó fázisát adja. Emiatt a kivizsgált keverék megoszlik a két fázis között. Azok az összetevők, amelyek jobban oldódnak a szerves oldószerben, gyorsabban fognak haladni, mint azok az összetevők, amelyek kevésbé oldódnak.

26. Papírkromatográfia • Az oszlop töltelékanyaga helyett egyszerű szűrőpapírt használunk (állófázis). A kromatogram előhívása hermetikusan zárt edényben történik, azért, hogy a rendszer telítődjön az oldószer páráival. • A papírkromatográfiához általában erre a célra különösen alkalmas papírfajtából készült 50 cm hosszú és legalább 3 cm széles szűrőpapírcsíkot használnak. • Röviddel a csík vége előtt jelet tesznek (kezdőpont), amelyre a kivizsgálandó oldat cseppjét viszik fel. Ezután a csíkot felakasztják a zárt edényben, úgy, hogy a kezdőpont néhány mm-rel az oldószer nívója felett legyen (azért, hogy a minta nehogy kimosódjon).

28. Az oldószer felszívódik a papírcsíkba, magával víve a keverék komponenseit. Mivel a komponensek különböző sebességgel mozognak, szétválasztódnak. • Színes anyagok esetén világosan látható foltok keletkeznek, amelyek eltérő gyorsasággal vándorolnak. Egy bizonyos idő után a papírcsíkot kivesszük a zárt edényből és megjelöljük azt a szintet, ameddig az oldószer eljutott – oldószer front. • Ezután a kromatogram szárítása következik.

29. A kezdőponttól az oldószerig a kiinduló keverék komponensei láthatók. • Ha az anyagok színtelenek, akkor a kromatogramot olyan anyagokkal kell bepermetezni, amely az egyes foltokat láthatóvá teszi (a kromatogram előhívása). • Az összetevők azonosítása a színek vagy az Rf érték alapján történik. • Az Rf érték az oldószerfront valamint az anyagfolt középpontja által megtett út aránya.

30. Az Rf értékek meghatározott feltételek között az anyagra jellemző nagyságok, amelyek értéke 0 és 1 között van.

31. Gázkromatográfia • A módszer elve, hogy a kivizsgálandó anyagot, amely gáz halmazállapotú, vele nem reagáló gáz segítségével (mozgófázis) kromatográfia oszlopon vezetjük keresztül. • Az oszlopban a keverék összetevői szétválasztódnak, mert különböző a tartózkodási idejük. • Az összetevők egyesével, meghatározott időközönként hagyják el az oszlopot,megjelenésüket speciális műszerek segítségével lehet detektálni (kimutatni), automatikusan feljegyezni, miközben sávokat kapunk, amit kromatogramnak nevezünk.

32. Ioncserélő kromatográfia • Az ioncserélők olyan anyagok, amelyek a velük érintkező oldatból ionokat képesek megkötni, miközben ekvivalens mennyiségű saját iont juttatnak az oldatba. • Ilyen tulajdonságokkal rendelkeznek pl. az alumoszilikátok – zeolitok. • Ha kemény vizet ioncserélő oszlopon vezetünk keresztül, amely zeolittal van töltve, a következő cserék játszódnak le: a Na+ ionok a zeolitból ekvivalens mennyiségű Ca2+ és Mg2+ ionokkal cserélődnek fel a vízből, mindaddig míg be nem áll az egyensúly.