Адсорбция газов

Чем проще опыт, тем ближе путь к истине

Адсорбция газов

Рис. 1   1 – бокал, 2 – водопроводная вода, 3 – пузырьки газа, 4 – пластмассовая трубка, 5 – термометр

Адсорбция – явление широко распространенное в живой и неживой природе. Ткань наших легких подобна адсорбенту, на котором удерживается гемоглобин крови. Мембраны клеток связаны со свойствами их поверхности. Водные и газовые растворы перемещаются в почвах и горных породах, используя их как адсорбенты. Адсорбция широко применяется в промышленных технологиях.

Согласно справочнику химика: «Механизм адсорбции выяснить довольно трудно» [1]. Несмотря на серьезность заключения солидного издания, а также того, что химия не моя специальность, но внутренне чутье и понимание гравитации, заставляют меня покопаться в «чужой» дисциплине. Начнем с кухонно-бытовых опытов и закончим тем же.

Опыт №1

Поставим самый простой опыт, который каждый из нас проделывает каждый день, но не догадывается, что проводит его во благо науки. Возьмем стеклянный бокал 1, наполним его холодной водопроводной водой, дадим отстояться и понаблюдаем за процессом (рис.1). Для наглядности эксперимента поставим в бокал пластмассовую трубочку 4, попутно измерим температуру воды и окружающего пространства термометром 5. Температура окружающего воздуха 200С, температура воды в момент наполнения 140С.

Прошло 5 минут, на стенках бокала появились мелкие пузырьки газа 3, размером до 0,1-0.2 мм. Всматриваясь в эту картину можно увидеть схожесть со звездным небом. Отличие от космической картины в том, что наши звезды, похожие друг на друга, на первый взгляд, все одного размера и расположены более плотно на поверхности стекла.

В течение получаса пузырьки незаметно увеличились в размерах, также увеличились промежутки между ними. Попытаемся измерить диаметр пузырьков, для этого возьмем штангенциркуль и через прозрачное стекло оценим размеры. Измерения показали, что пузырьки имеют разный размер – от 0,2 мм до 1 мм.

На данном этапе мы ничего нового не открыли; растворенный в воде газ выделился (адсорбировался) на стенках и сконцентрировался в пузырьках. Наблюдательные люди визуализировали звездную картину не раз, например, любители пива или шампанского, всякий раз после наполнения бокалов.

Но есть несколько базовых вопросов: 1) почему образуются пузырьки? 2) почему газовые молекулы не всплывают, а концентрируются на поверхности стекла 3) Какая сила удерживает их на стенках и дне бокалов? 4) что такое вообще адсорбция?

За ответами обратимся к физикам и химикам. Физики ответят примерно так: «Поверхность твердого тела обладает способностью удерживать молекулы газа, которые как бы прилипают к ней. Такое «прилипание» молекул газа к молекулам поверхностного слоя твердого тела называют адсорбцией (от лат. ad – на, и sorbeo – поглощаю)» [2].

Химики ответят более пространно: «Адсорбция – это процесс, приводящий к аномально высокой концентрации вещества (адсорбата) из газообразной или жидкой среды на поверхности её раздела с жидкостью или твердым телом (адсорбентом). Частный случай сорбции. Адсорбция происходит под действием некомпенсированных сил межмолекулярного взаимодействия в поверхностном слое адсорбента, что вызывает притяжение молекул адсорбата из приповерхностной области; адсорбция приводит к уменьшению поверхностной энергии» [3].

Далее отправят нас изучать теории: мономолекулярную адсорбцию Ленгмюра, полимолекулярную адсорбцию Поляни, общую теорию многокомпонентных гетерогенных систем Гиббса, и т. д., а затем сопроводят нас тем, что в настоящее время единой теории, которая корректно описывала бы все виды адсорбции на разных поверхностях раздела фаз – не имеется.

Разработаны различные теоретические подходы к адсорбции, которые весьма сложны, порой противоречивы и не понятны даже подготовленному человеку. Наукой указывается, что природа адсорбционных сил может быть различной. В общем случае причиной адсорбции предполагается нескомпенсированность межмолекулярных сил вблизи поверхности, т.е. наличие адсорбционного силового поля.

Покопавшись в научных дебрях, я так и не нашел удовлетворительного ответа на поставленные вопросы, которые возникли после проведения простого опыта с газовыми пузырьками, поэтому решил провести свое расследование в делах адсорбционных.

Кухонные опыты

Поставим несколько простых кухонно-бытовых опытов с водопроводной и газированной водой и попробуем выяснить на самом ли деле существует некое мифическое адсорбционное силовое поле.

Тем временем опыт №1 продолжается. Эксперимент показал, что пузырьки будут висеть на стенках и дне бокала до тех пор, пока не испарится вся вода.

Не дожидаясь, когда останется сухой остаток солей, поднимем бокал с адсорбированными пузырьками и медленно наклоним, как бы стараясь выпить содержимое. Видим, что при наклоне бокала пузырьки скатываются (смываются) по границе пристеночной поверхности вниз, но не удаляются от нее. В стесненном состоянии некоторые из них объединяются (укрупняются) и схлопываются. При наклоне бокала, пузырьки как бы вращаясь, устремляются вниз по наклонной стенке, какая-то сила продолжает их притягивать и удерживать на поверхности стекла.

Продолжим кухонные опыты.

Опыт №2

Купим в магазине две бутылки с газированной водой из одного источника, одну из них охладим, а вторую подогреем, предварительно откроем бутылки и выпустим, скопившийся под пробкой, газ. Измерим температуру, в бутылке с теплой водой температура равна 300С, а в охлажденной – 140С. Наполним бокалы из обеих бутылок, для наглядности вставим в них пластмассовые трубочки. Бокалы имеют комнатную температуру 200.

В бокале с теплой водой сразу же начинает интенсивно выделяться газ, который, как метеоритные треки из центральной части резко поднимается и устремляется в атмосферу; газ одновременно интенсивно адсорбируется на пластмассовой трубке. В холодном бокале процесс выделения газа гораздо слабее, основная его часть адсорбируется в виде пузырьков на стенках стекла и частично на пластмассовой трубке.

Адсорбированные пузырьки в данном опыте крупнее, чем в опыте №1.

Опыт №3

Инвертируем предыдущий опыт, для чего один бокал охладим, а второй бокал нагреем, чтобы они температурно отличались от окружающего воздуха на несколько градусов. Теперь воспользуемся содержимым одной бутылки и наполним оба бокала газированной водой комнатной температуры 200.

Наблюдаем. В нагретом бокале адсорбция идет очень интенсивно на стенках, дне и на пластмассовой трубочке. В охлажденном бокале адсорбция идет гораздо слабее, а газовые пузырьки адсорбируются, в основном, по центру на пластмассовой трубочке. Вследствие интегрального действия подъемной силы каждого пузырька, трубки могут и всплыть.

В данном опыте процессы адсорбции идут противоположно опыту №2.

Так что же это за физическое явление, которое так сильно реагирует на изменение температуры? О полученных результатах поговорим в следующей статье, а сейчас поставим еще несколько опытов.

Опыт №4

Возьмем чисто вымытую сковороду с толстым дном и тефлоновым покрытием (можно и без покрытия). Наполним ее, примерно до половины, холодной водопроводной водой и оставим на несколько часов. На дне наблюдаются несколько крупных пузырей диаметром 2-3 мм. Для ясности можно их и измерить.

После отстоя обнаружим, что дно и стенки сковородки покрылись огромным количеством мелких пузырьков газа размером 0,1-0,2 мм, черный фон сменился на слабо серебристый. Для полной достоверности возьмем ту же пластмассовую трубку, используем ее вместо кисти художника и нарисуем солнце.

Почему я взял сковородку с тефлоновым покрытием и что это за покрытие (придется делать рекламу сковородкам с антипригарным покрытием)? Тефлон, политетрафторэтилен, или фторопласт-4. Википедия утверждает: «Тефлон обладает очень низким поверхностным натяжением, низкой адгезией и не смачивается ни водой, ни жирами, ни большинством органических растворителей [4]. Сразу вопрос: почему возникла адсорбция пузырьков газа на поверхности, которая отталкивает не только воду, но и масло? По сути, водоотталкивающая поверхность должна отталкивать газовые пузырьки еще с большей силой, а они покрывают ее сплошным кластером. Что-то здесь не так с адсорбционным полем.

Подогреем сковородку. Толстое дно прогревается не быстро, поэтому откроем газ на полную мощность. Спустя некоторое время, видим, что пузырьки начали буквально расти на глазах, над поверхностью появился дымок пара. На вертикальных стенках пузырьки начали отрываться и устремляться в атмосферу. На их месте появляется замещение из вновь адсорбированных пузырьков газа и пара. Адсорбированные пузырьки совершают чуть заметные колебания на поверхности адсорбента. Выключим нагрев и замерим диаметр пузырьков. Как это сделать? Снова возьмем штангенциркуль, поскольку пузырьки это не стальные шарики, то предварительно установим приблизительный размер, визуально шарики выглядят до 3-х мм. Установим этот размер и попробуем вставить какой-либо пузырек между губок. Оказывается, пузырьки хорошо держатся на дне сковородки, некоторые удается не только вставить между губок, но и сдвинуть их с места. Некоторые после сдвига проскакивают между измерительными губками, их размер действительно около 3-х мм, но это не предел.

Опыт №5

Снова подожжем газ в горелке и немного сдвинем сковородку относительно центра горелки в сторону ручки. Видим, что некоторые пузырьки увеличиваются до размеров 6-8 мм, а затем взлетают вверх и схлопываются. Начинается пузырьковое кипение. Что любопытно, некоторые крупные пузырьки не отрываются от поверхности, а скатываются, сначала по дну, а затем по боковой стенке сковородки и, достигнув поверхности, лопаются. Такое вот своеобразное катание по гладкой поверхности только не под горку, а, наоборот, на горку.

На стенках пузырьки несколько меньшего размера, чем на дне.

В достоверности опытов, можно убедиться, посмотрев видео под данной и следующей статьями.

Обсуждение опытов продолжим в следующей статье…

Назад  Вперед

Как и где искать загадочные гравитоны? Предисловие к адсорбции газов

Кухонно-бытовые опыты. Опыт №1

2 комментария

  1. Михил Шульман:

    Молодец. Интересные опыты и, главное, прекрасно описаны.

  2. Gennady Ershov:

    СПС, Михаил Ефимович.
    Оказывается Вы обзавелись персональным сайтом, молоток!

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.


Ваш комментарий на модерации.