Адсорбция и биологические процессы.

Явления адсорбции чрезвычайно широко распространены в природе. Там, где соприкасаются газы (или пары), жидкости и твердые тела, имеют место адсорб­ционные процессы. Почва хорошо поглощает (адсорбирует) не только растворен­ные в воде органические и минеральные соединения, но и воздух, углекислоту, па­ры воды, аммиак. Поглощение корнями питательных элементов из почвы начина­ется с их адсорбции на поверхности корневых волосков и тонких неопробковевших корней. Усвоение растением углекислого газа при фотосинтезе начинается с ад­сорбции СО₂ на внутренней поверхности листа. Превращения поглощенных солей и углекислоты связаны с явлениями адсорбции и десорбции на протоплазматических структурах и поверхностях клеточных органелл, пластид, митохондрий, микросом.

Явления адсорбции играют очень большую роль также и в жизнедеятельности животных организмов. Роль адсорбции обусловлена наличием в организме огром­ного количества самых разнообразных поверхностей раздела — стенок сосудов, поверхности клеток, клеточных ядер и вакуолей, коллоидных частиц протоплаз­мы и, наконец, поверхности раздела между организмом и средой. Особенно важна функция поверхности раздела между организмом и средой у низших организмов и организмов, живущих в воде, так как этой поверхности принадлежит сущест­венная роль в процессах питания и обмена веществ. Исследования последних лет показали, что пищевые вещества, как правило, являются поверхностно-активными, и потому первым этапом их усвоения является адсорбция, а процесс их химиче­ского превращения уже вторичен.

Чтобы наглядно представить роль и значение адсорбционных процессов, про­текающих в животном организме, рассмотрим адсорбционные возможности эри­троцитов крови человека.

Исследования показали, что эритроциты являются пе­реносчиками различных веществ, в том числе аминокислот, которые они разносят и передают клеткам и различным тканям организма. Количество эритроцитов в крови взрослого человека примерно 5 000 000 в 1 нм³. У здорового мужчины в среднем на 1 кг массы приходится 450 миллиардов эритроцитов, 27 триллионов на весь организм. Учитывая, что диаметр эритроцита 7—8 мкм, можно легко подсчи­тать, что общая поверхность эритроцитов всей крови человека составит пример­но 3200 м².

Большинство реакций, протекающих в организме, совершается при непосред­ственном участии ферментов-катализаторов. Исследования показали, что первые стадии действия любого фермента сводятся к адсорбции субстрата на поверхности ферментного комплекса, и только после этого фермент проявляет свое специфиче­ское каталитическое действие.

Вопросы для самоподготовки

1. Понятие о поверхностной энергии и поверхностном натяжении. Методы их измерения. Способы уменьшения свободной энергии системы.

2. Что такое адсорбция? Виды адсорбции. Уравнения Гиббса.

3. Поверхностно-активные вещества (ПАВ), особенности их строения и действия; примеры применения в сельском хозяйстве.

4. Опишите адсорбцию на твердых адсорбентах.

5. Что является мерой смачивания. Приведите примеры гидрофильных и гидрофобных поверхностей, каково их значение в сельском хозяйстве.

6. Понятие о поверхностной энергии и поверхностном натяжении. Методы их измерения. Способы уменьшения свободной энергии системы.

7. Что такое адсорбция? Виды адсорбции. Уравнения Гиббса.

8. Поверхностно-активные вещества (ПАВ), особенности их строения и действия; примеры применения в сельском хозяйстве.

9. Опишите адсорбцию на твердых адсорбентах.

10 Что является мерой смачивания. Приведите примеры гидрофильных и гидрофобных поверхностей, каково их значение в сельском хозяйстве.

11 .Охарактеризуйте изотермы сорбции по Ленгмюру и Фрейндлиху, поясните БЭТ- изотерму.

12. Ионный обмен и его закономерности. Запишите уравнение ионообменного равновесия Б.П. Никольского.

13. Сущность поглотительной способности почв и ее значение для агрономической науки. Роль адсорбционных процессов в природных явлениях.

При изучении адсорбции веществ на жидких поверхностях наиболее удобным методом является измерение поверхностного натяжения жидкостей, так как мерой адсорбции на границе раздела жидкость – газ и жидкость-жидкость является уменьшение поверхностного натяжения с увеличением концентрации раствора.

Величину адсорбции на жидкой поверхности можно определить, измерив поверхностное натяжение, для чего существует несколько различных методов.

Важнейшими из них являются следующие: метод капиллярного поднятия, сталагмометрический метод, метод наибольшего давления пузырьков, метод отрыва кольца.

В данном практикуме предполагается определение поверхностного натяжения с последующим расчетом величины адсорбции на жидких адсорбентах методом наибольшего давления пузырьков воздуха ( метод Ребиндера ).

Он основан на измерении давления Р, необходимого для выделения воздуха из стеклянного капилляра в жидкость ( воду ) и зависит от радиуса капилляра, через который проскакивает пузырек

Поверхностное натяжение представляет собой силу, действующую на единицу длины контура, ограничивающего поверхность жидкости. Чистые жидкости при постоянной температуре имеют постоянную величину поверхностного натяжения. Например, при 20^оС коэффициент поверхностного натяжения ( сигма - s ) равен: для воды 72,75; ртути – 475,00; этилового спирта – 22,0; бутилового спирта – 24,60*10 ^–3 Н/м. (см. Приложение табл. 4).

Зависимость между концентрацией адсорбированного поверхностью вещества и поверхностным натяжением выражается уравнением Гиббса:

где Г – величина адсорбции, количество молей адсорбированного вещества, приходящееся на 1 м² поверхности, моль/м²;

R – газовая постоянная ( 8,321*10 3 Дж/кмоль*К );

Т – абсолютная температура, К;

С_Р – равновесная концентрация, кмоль/м³;

s – поверхностное натяжение, Н/м.