Лако-красочные материалы — производство

Уголь, не обладающий полярностью, казалос-ь бы, не может адсорбировать ионы сильных электролитов. Однако опыт показы­вает, что уголь не только способен избирательно адсорбировать ионы электролитов, но на нем могут протекать и явления обменной адсорбции. Уголь является практически наиболее важным адсор­бентом, поэтому подробно рассмотрим причины обменной адсорб­ции на угле.

Прежде всего следует отметить, что древесный или животный угли могут проявлять способность к обменной адсорбции вслед­ствие содержания в них небольшого количества неорганических веществ. Так, уголь адсорбирует из раствора метиленовой сини окрашенные катионы красителя и отдает взамен их в раствор Неокрашенные ионы Са2+. Однако, как показал опыт, к обменной
адсорбции способны и угли, совершенно лишенные неорганических компонентов. В этом случае обменную адсорбцию можно объяс­нить на основе чисто электрохимических представлений, развитых А. Н. Фрумкиным, и представлений Н. А. Шилова и его школы о поверхностных соединениях.

Согласно А. Н. Фрумкину, уголь может вести себя как газовый электрод, напоминающий водородный электрод, получаемый в ре­зультате насыщения платиновой черни газообразным водородом. Поверхность угля может адсорбировать водород, который обра­зуется в процессах получения угля и при его активации. С другой стороны, уголь может поглощать кислород из воздуха при полу­чении, активации и хранении угля. В зависимости от того, чем насыщена поверхность угля, он может играть роль водородного или кислородного электрода.

На поверхности угля, адсорбировавшего водород, при контакте с водой образуется ион водорода, причем атом водорода является донором, а уголь — акцептором электронов:

Уголь | Н2 —>- уголь2- 2Н+

Такой уголь в растворе электролита способен обменивать иоиы водорода на любые другие катионы. Например, если в растворе содержится хлорид натрия, произойдет следующий обменный процесс:

Уголь — Н+ + Na+ + сі — —»- уголь" I Na+ + Н+ + С1-

При этом уголь ведет себя как кислотный адсорбент, и раствор после обмена подкисляется.

Уголь, на поверхности которого адсорбировался кислород, в воде является донором электронов, а атомы кислорода — акцепто­рами электронов:

Уголь Ог —> уголь4 + 202

Весьма неустойчивые ионы О2- тотчас взаимодействуют с водой С образованием гидроксильных ионов:

Уголь2+ О2- + Н20 —»- уголь2+

В растворе электролита такой уголь ведет себя как основной адсорбент, обменивающий гидроксильные ионы на любые анионы:

Уголь+ ОН — + Na+ + СГ —v уголь+ С1~ + Na+ + ОН~

При этом раствор нейтрального электролита подщелачивается.

Правильность теории А. Н. Фрумкина подтверждается тем, что уголь, с поверхности которого тщательным эвакуированием уда­лены адсорбированные газы, теряет способность поглощать из раствора ионы электролитов,

Н. А. Шилов объяснял обменную адсорбцию на обеззоленном угле с совершенно иных позиций. Согласно Н. А. Шилову, при по­лучении или активировании угля на его поверхности возникают тончайшие слои окислов, не являющиеся новой фазой и прочно связанные с кристаллической решеткой адсорбента. Эти окислы» образующиеся на поверхности угля, полученного в одних усло­виях, реагируя с водой, могут давать карбоксильные группы, спо­собные обменивать водород на катион. Иначе говоря, такой уголь будет вести себя как кислота. При получении угля в других усло­виях на его поверхности могут образоваться при взаимодействии с водой гидроксильные группы. Такой уголь способен обменивать гидроксил на анион, и, таким образом, он является основанием. Если получение или активирование угля проводить при промежу­точном режиме, когда на его поверхности образуется примерно одинаковое число групп первого и второго типа, то уголь будет < . обладать амфотерними свойствами и изменения рН раствора не наблюдается.

Обеззоленный уголь, полученный специальной очисткой или из чистых веществ (например, сахара), как показал опыт, адсорби­рует из водных растворов кислоты, а к щелочам остается индиф­ферентным. Такой уголь адсорбирует также анионы из растворов неорганических нейтральных солей (NaCl, КСІ, KN03, K2SO4 и т. д.). Поскольку на поверхности угля всегда находится некото­рое число групп — С—ОН, гидроксилы этих групп в виде ионов

ОН~ поступают взамен анионов в раствор, т. е. идет обменная адсорбция, изменяющая рН системы. Такую адсорбцию принято называть гидролитической.

При детальном рассмотрении теории обменной адсорбции на угле А. Н. Фрумкина и Н. А. Шилова оказывается, что эти теории не противоречат друг другу, а являются толкованиями одного и того же явления с различных точек зрения. К этому выводу легко прийти, если учесть, что поверхностные соединения Н. А. Шилова способны в воде ионизироваться и образовывать двойной электри­ческий слой газового электрода.