ვაჟა ღავთაძე
ასევე იხილეთ
გაფართოებული ძებნა
"ქიმიის უწყებანი" ტომი:2, ნომერი:1, 9-11 გვ.
ადსორბციის პროცესები პრაქტიკაში
ქიმიის პედაგოგი, ჭიათურის რაიონის სოფ.წირქვალის სკოლა 551267283
რეზიუმე: განხილულია ადსორბციის მოვლენა, მისი გამომწვევი მიზნები და გამოყენების არეალი. მარტივი საშუალებების გამოყენებით ქიმიური ექსტერიმენტის დაგეგმვა და ჩატარება - ადსორბენტის მიღება და ადსორბციის მოვლენის დემონსტრირება.
საკვანძო სიტყვები: ადსორბცია, ადსორბენტი, ადსორბატი, ქემოსორბცია
ყველას მოგვეხსენება, ცოდნა რომელსაც პრაქტიკული გამოყენება არ გააჩნია, ნაკლებ ღირებულია. დღესდღეობით მეტად მნიშვნელოვანია მოსწავლეებს განვუვითაროთ ცოდნის პრაქტიკაში გამოყენების უნარი. საბუნებისმეტყველო მეცნიერებები და განსაკუთრებით ქიმია ამ მხრივ მრავალფეროვან შესაძლებლობებს გვაძლევს. მათ უნდა გავაცნოთ ქიმიის მოხერხებულად გამოყენების მაგალითები საზოგადოებრივი საქმიანობის მრავალ სფეროში, ვუჩვენოთ და შევასრულებინოთ ეფექტური ექსპერიმენტები, რათა დავარწმუნოთ ქიმიის პრაქტიკაში გამოყენების შესაძლებლობაში. ამით გაიზრდება მოტივაცია, მოსწავლეები მეტად შეიყვარებენ საგანს, იფიქრებენ ცოდნის პრაქტიკაში გამოყენებაზე, შესაძლოა რომელიმე მათგანმა სამომავლო პროფესიად ქიმია ან მისი მონათესავე დარგიც კი შეარჩიოს და კარგი სპეციალისტი ჩამოყალიბდეს .
სხვადასხვა სუპერმარკეტში სტუმრობისას განცვიფრებას იწვევს ალკოჰოლური სასმელის არყის ფასებს შორის სხვაობა, სერიოზული განსხვავებაა სხვადასხვა ზეთის ფასებს შორისაც. დაკვირვებული თვალი ადვილად შეამჩნევს, რაოდენ განსხვავებულია სხვადასხვა ზეთის ფერიც. ფერისა და ღირებულების განსხვავების მიზეზი რა არის? მიზეზია სხვადასხვაა: ისინი სხვადასხვა მცენარისაგანაა დამზადებული, გამოხდის განსხვავებული მეთოდები და სხვადასხვა ქიმიურად დამუშავებული მასალაა გამოყენებული გაწმენდისას.
მცენარეული მასალიდან ზეთის გამოხდისას და სახამებლის შემცველი მასალებიდან ეთილის სპირტის მიღებისას მიღებული მასალა არაა მაღალხარისხიანი. იგი ძირითადად შეფერილი და შემღვრეულია, არაერთგვაროვანია, შეიცავს სხვადასხვა კლასის ორგანულ ნაერთებს და მათი შემცველობის გამო მიღებული მასა არასტაბილურია. მისი შენახვა ხანგძლივი დროით შეუძლებელია. ასეთი მიზეზების გამო ადრეულ წლებში მრავალი პროდუქცია საკვებად უვარგისი ხდებოდა და მეწარმეები ზარალდებოდნენ. აღნიშნული პრობლემა წარმატებით გადაიჭრა ადსორბციის მოვლენის აღმოჩენისა და საფუძვლიანად შესწავლის შემდეგ. მგონი საჭიროა ადსორბციის შესახებ ვისაუბროთ.
ადსორბცია არის მყარი ნივთიერების ზედაპირის მიერ აირადი ან თხევადი ნივთიერების შთანთქმის პროცესი. მშთანთქმელ ნივთიერებას ადსორბენტი ეწოდება, შთანთქმულს კი ადსორბატი.
მყარი ფოროვანი ნივთიერების მიერ სითხის გაწმენდის უნარი ჯერ კიდევ ძველ ეგვიპტელებს, ბერძნებს და რომაელებს შეუმჩნევიათ. ისინი ხის ნახშირს სხვადასხვა მიზნებით იყენებდნენ: წყლის გამტკნარებისათვის, ზეთების გაწმენდისათვის და მედიცინაში ამათუიმ დაავადების დროს. უფრო მოგვიანებით ადსორბციის მოვლენით დაინტერესებულან ცნობილი ევროპელი ქიმიკოსები: კარლ შეელე (1773 წ.), ჟოზეფ პრისტლი (1775 წ.) და აბე ფონტანა (1777 წ.). შეელემ მყარი ნივთიერების მიერ შთანთქმული აირის რაოდენობრივი შესწავლაც კი შეძლო.
ადსორბცია მყარ სარჩულზე
ნახშირის მიერ სითხიდან ფერადი ნივთიერებების შთანთქმის უნარი 1785 წელს რუსმა ქიმიკოსმა ლოვიცმა შეისწავლა და მან ნახშირი შაქრის, წყლისა და სპირტის გასაწმენდად გამოიყენა. პუდრაზე სითხის დამატებისას სითბოს გამოყოფა შეამჩნია და აღწერა ლესლიმ (1802 წ.), მშრალი სილის წყალში ჩაშვებისას სითბოს წარმოქმნას აკვირდებოდა ფრანგი ქიმიკოსი პუილეტი (1822 წ.) აირის ადსორბციის ეგზოთერმულობა 1843 წელს აღწერა მიტჩერლიხმა.
მოგვიანებით 1881 წ კაიზერმა შეისწავლა წნევაზე შთანთქმული აირის რაოდენობრივი დამოკიდებულების კანონზომიერება და შემოიღო ტერმინი ადსორბცია. მან აღწერა იზოთერმულ პირობებში ადსორბციის პროცესები. 1911 წელს ზიგმონდმა დაასკვნა რომ, ადსორბენტის ვიწრო ფორებში შედარებით მაღალ წნევაზე ხდება ე. წ. კაპილარული კონდენსაცია.
ადსორბენტებს აქვთ დიდი გარე ზედაპირი. მაგალითად, 1გ გააქტიურებული ნახშირის ჭეშმარიტი ზედაპირის ფართი შეადგენს 300 - 1000 მ2. კვლევებმა აჩვენა რომ ზედაპირის ფართობი დამოკიდებულია ხის მერქნის ჯიშზე და გააქტიურების მეთოდზე. ადსორბენტები ფოროვანი მასალებია. ისინი შეიცავენ მრავალ სხვადასხვა ფორმისა და ზომის ფორებს, რომლებიც ხშირად ამოვსებულია სხვადასხვა ნივთიერებებით და ამიტომ საჭიროა მათი გააქტიურება ანუ ფორების გაწმენდა.
ადსორბციის მოვლენის გამომწვევი არის ვან-დერ-ვაალსის ძალები, უფრო კონკრეტულად კი მისი ერთ ერთი სახეობა - ლონდონის დისპერსული ურთიერთქმედება, მიზიდვის ძალა ორ მყისიერად წარმოშობილ დიპოლს შორის. გამოყოფენ ფიზიკურ და ქიმიურ სორბციას. ფიზიკური ადსორბციისას ადსორბირებული ნივთიერება უკან დესორბირდება უცვლელი სახით, ქემოსორბციისას კი დესორბციის შედეგად მიღებული ნივთიერება უკვე გარდაქმნილია ადსორბენტთან ურთიერთქმედების გამო.
რადგანაც ადსორბცია ეგზოთერმული პროცესია, ამიტომაც ლე-შატელიეს პრინციპის თანახმად ადსორბირებული ნივთიერების რაოდენობა უფრო მაღალია დაბალ ტემპერატურაზე, მაღალ ტემპერატურაზე უპირატესად ხდება დესორბცია.
მუდმივ ტემპერატურაზე ადსორბირებული აირის მოცულობა იზრდება წნევის გაზრდით.
მოგვიანებით ადსორბენტების გამოყენების არეალი გაფართოვდა. მათ ომის დროს თავდაცვის საშუალებებში, კერძოდ კი რესპირატორების, წარმოებაში ჰპოვეს ეფექტური გამოყენება. პირველ მსოფლიო ომამდე დაფიქსირდა სხვადასხვა ბრძოლისას მომწამლავი აირების გამოყენების შემთხვევები. ჰააგის 1907 წლის კონვენციის თანახმად ომის შესახებ კანონს მოეწერა ხელი, მაგრამ მისი პირობები სახელმწიფოებმა არ შასრულეს და პირველ მსოფლიო ომში მასიურად გამოიყენეს მომწამლავი აირები ჯერ ფრანგებმა და შემდგომ გერმანელებმა. განსაკუთრებით ამ მხრივ ცუდად კაცობრიობას ფ. ჰაბერი, ე.წ ქიმიური ომის მამა დაამახსოვრდა. ეს ის ჰაბერია, კაცობრიობას ამიაკი და სასუქები რომ უბოძა და ამისათვის ნობელის პრემია დაიმსახურა. მას ეკუთვნის გამოთქმა: „მეცნიერი მშვიდობისას მსოფლიოს ეკუთვნის, ბრძოლისას კი საკუთარ ქვეყანასო“. ასეთი ფაქტების დაფიქსირების გამო მსოფლიო მეცნიერებს საფიქრალი გაუჩნდათ თუ როგორ გადაერჩინათ ადამიანები მომწამლავი აირების მავნე ზემოქმედებისაგან. მალე მათ შეძლეს სხვადასხვა ტიპის რესპირატორების შექმნა. ნ. ზელინსკიმ 1915 წ შეიმუშავა ნახშირის გააქტიურების ეფექტური მეთოდი და მის ბაზაზე შექმნა უნივერსალური აირის რესპირატორი, რომლებიც რუსებმა და მოკავშირეებმა წარმატებით გამოიყენეს პირველ მსოფლიო ომში.
ნ. ზელინსკის მიერ შექმნილი რესპირატორი
ადსორბენტებს და განსაკუთრებით კი გააქტიურებულ ნახშირს, ფართოდ იყენებენ მედიცინასა და ვეტერინარიაში, კვლევები უჩვენებენ რომ ის სხვადასხვა მეტალებით მოწამვლისას კარგ შედეგებს უჩვენებს, ასევე კარგად შთანთქავს სხვადასხვა აირებს და წარმატებით გამოიყენება დიარეის დროს. ადსორბირების ხარისხი დამოკიდებულია ადსორბატის მოლეკულების ზომაზე, პოლარობაზე და მრავალ სხვა ფაქტორზე. აქტიურ ნახშირზე უფრო კარგად არაპოლარული და მცირედპოლარული მოლეკულები ადსორბირდება.
დღეისათვის ადსორბციის პროცესი ღრმადაა შესწავლილი. შემუშავებულია ბუნებრივი ადსორბენტების დამუშავების მეთოდები, შექმნილია სხვადასხვა ზომის ფორების მქონე სინთეზური ადსორბენტები. ადსორბენტების მშთანთქავმა უნარმა საფუძველი დაუდო ნარევების ეფექტური დაყოფის მეთოდის - ქრომატოგრაფიის განვითარებას. ადსორბენტები ფართოდ გამოიყენებიან ჰეტეროგენულ კატალიზში კატალიზატორებად და კატალიზატორის სარჩულებად, კოფეინის გამოსაყოფად ყავიდან და ჩაიდან, მეტალების ექსტრაქციისათვის, ოქროს გასასუფთავებლად, წყლის, მცენარეული ზეთების, შაქრის და სასმელების გასაწმენდად, მედიცინაში ტოქსიკოზის დროს.
მცენარეულ ზეთებს აუფერულებენ ადსორბენტებით, აცილებენ ამ გზით ქლოროფილს, ცილებს და კაროტინოიდებს. შაქრის სიროფს აცილებენ ცილებს, შეფერილ ნივთიერებებს. ამ გზით დამუშავებული პროდუქტები არის გამჭვირვალე, ნათელი ფერის, არ შეიცავს შედარებით მაღალმოლეკულურ ნივთიერებებს. ამის გამო სისტემა ხდება მეტად სტაბილური, ეს კი საბოლოოდ იწვევს ხარისხის და შესაბამისად იმ ფასების მატებას, რითაც დავიწყეთ სტატიის დასაწყისში საუბარი.
ჩვენ სკოლის პირობებშიდაც შეგვიძლია ადსორბციის პროცესზე დაკვირვება, მარტივი ექსპერიმენტების შესრულება. გთავაზობთ ხელმისაწვდომ ექსპერიმენტებს ადსორბციის მოვლენაზე დასაკვირვებლად.
ექსპერიმენტი 1. აიღეთ 20 გ-მდე ხის ნახშირის წვრილი ნატეხები. მოათავსეთ 250 მლ ერლენ-მეიერის კოლბაში. ჩაასხით მასში 100 მლ-მდე გამოხდილი წყალი და ადუღეთ. ნახშირი ტივტივებს წყლის ზედაპირზე, როდესაც ნახშირი წყლით გაიჟღენთება ის ჩაიძირება წყალში. 20-25 წუთის დუღილის შემდეგ გაცხელება შეწყვიტეთ, წყალი გადაწურეთ, სველი ნახშირი გადაიტანეთ ფაიფურის ტიგელში დაახურეთ თავისივე ფაიფურის სახურავი და აცხელეთ ტიგელი გაზის სანთურის ძლიერ ალზე 20 წთ-ის განმავლობაში. ამის შემდეგ გააქტიურებული ნახშირის გაცივებული ნატეხები ჩაყარეთ პატარა კოლბაში და შეინახეთ ცდებისათვის.
ექსპერიმენტი 2. ქიმიურ ჭიქაში ჩაასხით 15- 20 მლ ლაკმუსის განზავებული ხსნარი, ჩაყარეთ მასში 1 გრამამდე გააქტიურებული ნახშირის ფხვნილი და კარგად მოურიეთ, შემდეგ ადუღეთ 2-3 წუთი, სითხე გააცივეთ და გაფილტრეთ. დაუკვირდით ფილტრატის ფერს. ფილტრატი უფერო უნდა იყოს ადსორბციის მოვლენის გამო. გააქტიურებული ნახშირით ასევე უფერულდება წითელი ან შავი ღვინო.
ექსპერიმენტი 3. აიღეთ დაახლოებით 10 გ გააქტიუირებული ნახშირის ფხვნილი, გადაიტანეთ კოლბაში. ამავე კოლბაში შეაგროვეთ გამწოვ კარადაში აზოტ (IV)-ის ოქსიდი. კოლბას დაუცეთ საცობი. შეანჯღრიეთ და დაუკვირდით ფერის ცვლილებას. თუ ფერი გაფერმკრთალდა, ეს ადსორბციის ნიშანია. მოხადეთ კოლბას საცობი, როდესაც კოლბის შიგთავსი სრულად გაუფერულდება. ჩაამატეთ მასში წყალი და რამოდენიმე წვეთი ინდიკატორი მეთილნარინჯი ან ლაკმუსი. ინდიკატორი ფერს შეიცვლის ადსორბირებული აზოტის ოქსიდის წყალში გახსნის შედეგად წარმოქმნილი მჟავის გამო.
გამოყენებული ლიტერატურა:
1. Adsorption by Powders and Porous Solids: Principles, Methodology and Applications. F. Rouquerol, J. Rouquerol, K.S.W. Sing. P. Llewellyn, G.Maurin, Academic Press, 2014, p. 1-22.
2. Общая химия. К. Неницеску Мир, 1968 г, ст .488-470.
3. War on the Western Front. G.D Sheffield. Osprey Publishing, 2007, Pages. 206-216.
4. http://www.chemvironcarbon.com/en/activated-carbon/adsorption
5. http://veterinarymedicine.dvm360.com/when-and-how-use-activated-charcoal?id=&pageID=1&sk=&date=
6. http://www.encyclopedia.com/doc/1G2-2830904775.html
გამოქვეყნებულია: 25-02-2015