Биологические системы - гетерогенны. К поверхностям раздела фаз в организме относятся : поверхность кожи человека ~1, 5 м 2 поверхность всех эритроцитов 2500 – 3800 м 2 поверхность скелета 2000 км 2 стенки сосудов, мембраны клеток, ядер, митохондрий, слизистые оболочки.
Сорбция – процесс поглощения одного вещества другим. Сорбент ( адсорбент ) – поглотитель. Сорбтив (адсорбтив) – поглощаемое вещество. Адсорбция – самопроизвольный процесс накопления (изменения концентрации) вещества на поверхности раздела фаз
Абсорбция – поглощение всем объемом сорбента ( СО 2 поглощается водой) Хемосорбция – поглощение вещества за счет химического взаимодействия с адсорбентом поглощение СО 2 на СаО =СаСО 3 О 2 на А L = А L 2 О 3
Поверхности раздела в зависимости от агрегатного состояния фаз : 1 подвижные: жидкость / газ; жидкость / жидкость 2 неподвижные: твердая / газ; твердая / жидкость; твердая / твердая
Поверхностное натяжение - работа, которую необходимо совершить для образования единицы поверхности (Дж/м 2 ) G S – поверхностная энергия Гиббса, Дж; S – межфазная поверхность, м 2
Поверхностное натяжение зависит: 1. От природы жидкости Жидкость σ, мДж/м 2 желчь 1 этанол 22,3 сыворотка крови 45,4 вода 72,8 ртуть 436 2. От температуры ( ↑ t ↓ σ, при t крит σ =0). 3. От давления ( ↑ p ↓ σ ). 4. От концентрации растворенного вещества σ орг < σ воды σ неорг > σ воды
Изменение σ используется в диагностике : изменяется при некоторых заболеваниях ( рак, шок, травма) влияет на деление клеток, проницаемость клеточных мембран с возрастом уменьшается для сыворотки крови
Избыточная поверхностная энергия Гиббса G S = σ• S уменьшается : В чистых растворителях за счет уменьшения S ( S => min у шара, поэтому капли дождя, тумана, эмульсии имеют форму шара) В растворах за счет уменьшения σ путем перераспределения молекул растворенных веществ в объеме и на поверхности
Количественно величину адсорбции на жидкой поверхности вычисляют по уравнению Гиббса Г – количество адсорбированного вещества ( моль/м 2 ) С – молярная концентрация раствора ( моль/л ) R – универсальная газовая постоянная = 8,3 1 Дж/моль • К – поверхностная активность растворенного вещества.
– поверхностная активность – способность растворенных веществ изменять поверхностное натяжение растворителя
Поверхностно-активные вещества (ПАВ) уменьшают σ растворителя, т.к. сами имеют низкие значения σ, меньше, чем у воды. ПАВ : спирты, органические кислоты, сложные эфиры, белки, холестерин, липиды, мыла. σ раствора < σ растворителя, Δσ = σ раствора – σ растворителя < 0 g > 0, Г > 0, т.е. вещество накапливается в поверхностном слое
Поверхностно-инактивные вещества (ПИВ) незначительно повышают σ растворителя ПИВ : неорганические кислоты, соли, основания, глицерин, α – аминокислоты. σ раствора > σ растворителя, Δσ = σ раствора – σ растворителя > 0 g < 0, Г < 0, т.е. вещество накапливается внутри объема, а не на поверхности
Поверхностно-неактивные вещества (ПНВ) не изменяют σ растворителя. ПНВ : сахароза σ раствора = σ растворителя, Δσ = 0 g = 0, Г = 0, т.е. вещество равномерно распределено во всем объеме жидкости.
Зависимость σ от концентрации растворенного вещества при постоянной температуре ПИВ σ с ПНВ ПАВ σ H 2 O
Молекула ПАВ состоит из: неполярной гидрофобной углеводородной группы (“хвост”) полярной гидрофильной группы (“голова”): -ОН, -СООН,-NН 2 ; -SО 3 H. “хвост” “голова”
1. Низкие С 1 2 Г c газ вода 2. Высокие С газ вода «частокол Лэнгмюра» Г
При удлинении цепи на группу -СН 2 - в гомологическом ряду способность к адсорбции возрастает в 3,2 раза. НСООН СН 3 СООН СН 3 СН 2 СООН СН 3 СН 2 СН 2 СООН σ с
СН 3 СН 2 СН 2 СООН СН 3 СН 2 СООН СН 3 СООН НСООН
В организме липиды, жирные кислоты накапливаются у стенок сосудов, мембран, а затем проникают через них в кровь, в протоплазму. ПАВ-антисептики накапливаются на поверхности клеточных мембран микроорганизмов, нарушается их проницаемость, клетки гибнут. Желчь адсорбируется на поверхности жира, ↓ σ, дробит жир на капли, превращает в эмульсию, улучшается усвоение пищи.
Адсорбция твердыми телами Величина адсорбции зависит от: Размера поверхности адсорбента чем > Sповерхности, тем > адсорбция. 2. Температуры ( ↑ t ↓ Г ). 3. Типа адсорбента, его сродства к растворителю. - гидрофильные адсорбенты (силикагель SiO 2, глина, пористое стекло) для адсорбции полярных веществ из неполярных (неводных) растворителей. - гидрофобные адсорбенты (активированный уголь, графит, тальк) для адсорбции неполярных веществ из полярных растворителей. 4. Заряда адсорбента и адсорбтива. 5. Концентрации адсорбтива.
Адсорбция идет только на активных центрах (выступах, ребрах) Каждый активный центр удерживает только одну молекулу адсорбтива. При больших концентрациях ( давлении ) образуется мономолекулярный слой ( предельная адсорбция ). Адсорбированные молекулы удерживаются доли секунды (время жизни) и отрываются. При равновесии V адсорбции = V десорбции
Г = x/m = К Ф · C n х – количество вещества адсорбтива (моль) m – масса адсорбента С – равновесная концентрация, при которой V адсорбции = V десорбции К Ф – константа Фрейндлиха, К Ф = Г при С = 1моль/л n – эмпирическая константа, 0,1–0,6.
Г - количество адсорбированного вещества, моль/кг Г ∞ - предельная адсорбция С - концентрация Р - давление газа К - константа адсорбционного равновесия
при С << К , линейная зависимость Г от С при С > К , дальнейшее увеличение концентрации не влияет на величину адсорбции. Изотерма адсорбции: а) по Фрейндлиху (парабола) б) по Ленгмюру с Г б а
Молекулярная (эквивалентная) - характерна для неэлектролитов, слабых электролитов. Ионная (избирательная, ионообменная) - характерна для сильных электролитов
Из раствора адсорбируются те ионы, которые входят в состав кристаллической решетки адсорбента или образуют с ним малорастворимое соединение. Определить знак заряда поверхности AgI(крист.) полученного по реакции: АgNО 3 ( р ) + КI ( р ) = АgI ( крист. ) + KNO 3 ( р ) а) nАgNО 3 = nКI : поверхность осадка не заряжена; б) nАgNO 3 > nКI : в) nАgNО 3 < nКI : избыток АgNO 3 Аg + + NО 3 - избыток КI К + + I - АgI + АgI - + - + -
В организме избирательная адсорбция токсинов различными тканями: возбудители столбняка на клетках ЦНС возбудители дизентерии на клетках вегетативной нервной системы CN - ионы блокируют дыхательные ферменты
Ионообменная адсорбция – процесс, в котором адсорбент и раствор обмениваются между собой в эквивалентных количествах одноименно заряженными ионами. RM 1 + М 2 + → RM 2 + M 1 + обмен катионов катионит RА 1 + А 2 - → RА 2 + А 1 - обмен анионов анионит
для обессоливания воды для очистки сточных вод для выделения и очистки аминокислот для консервирования крови для восстановления электролитного баланса иониты используются:
Хроматография - динамический метод анализа, основанный на многократно повторяющихся процессах сорбции и десорбции. А + В В А
- разделение смесей аминокислот; - очистка лекарственных препаратов; - количественное определение витаминов, гормонов; диагностика заболеваний ; анализ крови на присутствие наркотиков, алкоголя метод для допинг-контроля
1. Усвоение питательных и лекарственных веществ 2. Перенос О 2 и СО 2 из лёгких к тканям 3. Действие ферментов 4. Детоксикация организма: а) Гемосорбция - очистка крови б) Лимфосорбция - очистка лимфы. 5. Поглощение ядовитых веществ в желудочно-кишечном тракте. 6. Адсорбционная терапия: активированный уголь (КМ, СКН) энтеросорбент (СКН) полисорб МП – кремний, обогащенный О 2
