HATÁRFELÜLETI JELENSÉGEK Készítette Varga István VEGYÉSZETI-ÉLELMISZERIPARI KÖZÉPISKOLA CSÓKA

Határfelület kialakulhat: 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.

Felületi feszültség

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.

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.

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

Adszorpció

Az adszorpcióval ellentétes irányú folyamatot deszorpciónak nevezük. 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 anyagot adszorptívumnak, vagy adszorbátumnak nevezzük.

Az adszorpció mechanizmusa Az adszorpció az adszorbens szemcséi, valamint az adszorptívum részecskéi között fennálló tömegvonzáson alapszik. 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.

Adszorbens szemcse Adszorptívum részecske Kifelé ható adhéziós erők Lekötött kochéziós erők

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.

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

Adszorpciós izotermák Folyadékok esetében Gázok esetében

A diagramokon azt látjuk, hogy állandó hőmérsékleten, minél nagyobb az adszorptívum koncentrációja 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.

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:

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

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.

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.

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 alacsony kiindulási koncentrációja esetén használatos.

Kromatográfia

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.

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

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.

A szétválasztás azért lehetséges, mert a víz, mint poláros oldószer a szilikagélhez kapcsolódik, álló fázist alkotva, 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.

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).

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.

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.

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

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.

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.