научная статья по теме ТЕРМОДИНАМИКА АДСОРБЦИИ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ ИЗ ГАЗОВОЙ ФАЗЫ НА МОНОСЛОЕ ЖИДКОГО КРИСТАЛЛА, СФОРМИРОВАННОМ НА ПОВЕРХНОСТИ УГЛЕРОДНОГО АДСОРБЕНТА Химия

Текст научной статьи на тему «ТЕРМОДИНАМИКА АДСОРБЦИИ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ ИЗ ГАЗОВОЙ ФАЗЫ НА МОНОСЛОЕ ЖИДКОГО КРИСТАЛЛА, СФОРМИРОВАННОМ НА ПОВЕРХНОСТИ УГЛЕРОДНОГО АДСОРБЕНТА»

ЖУРНАЛ ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ, 2015, том 89, № 4, с. 688-693

^ ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

ПОВЕРХНОСТНЫХ ЯВЛЕНИЙ

УДК 541.183+544.723.23

ТЕРМОДИНАМИКА АДСОРБЦИИ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ ИЗ ГАЗОВОЙ ФАЗЫ НА МОНОСЛОЕ ЖИДКОГО КРИСТАЛЛА, СФОРМИРОВАННОМ НА ПОВЕРХНОСТИ УГЛЕРОДНОГО АДСОРБЕНТА

© 2015 г. К. А. Копытин*, Е. С. Быков*, Л. А. Онучак*, С. Ю. Кудряшов*, С. А. Кувшинова**, В. А. Бурмистров***

* Самарский государственный университет ** Ивановский государственный химико-технологический университет *** Российская академия наук, Институт химии растворов им. Г.А. Крестова, Иваново

E-mail: kirko87@inbox.ru Поступила в редакцию 16.04.2014 г.

Методом обращенной газо-адсорбционной хроматографии изучена адсорбция паров органических соединений различного строения и полярности на углеродном адсорбенте, модифицированном монослоем полярного жидкого кристалла 4-(3-гидроксипропилокси)-4'-формилазобен-зола (ГПОФАБ). Проведено сравнение полученных термодинамических характеристик адсорбции на исходном и модифицированном адсорбентах. Рассмотрено влияние природы и строения молекул адсорбатов и жидкокристаллического модификатора на термодинамические характеристики адсорбции.

Ключевые слова: адсорбция, жидкие кристаллы, модифицированные углеродные адсорбенты, газоадсорбционная хроматография, взаимодействия "адсорбат—адсорбент".

DOI: 10.7868/S0044453715040159

Поиск и изучение новых наноструктурирован-ных композиционных материалов для разработки и создания супрамолекулярных структур, электронных и оптоэлектронных приборов, устройств и функционализированных систем различного назначения является актуальной и практически важной задачей. В настоящее время разрабатываются новые методы и подходы, позволяющие получать супрамолекулярные наноструктурирован-ные системы на основе самоорганизации их компонентов [1—3]. Типичными соединениями, способными к самоорганизации, являются жидкие кристаллы (ЖК) и их аналоги. Молекулярные системы на основе "классических" (неассоции-рованных) ЖК достаточно хорошо изучены и широко используются в различных областях науки и техники. В настоящее время интерес проявляется к изучению свойств ЖК нового типа — с полярными концевыми фрагментами, молекулы которых способны ассоциироваться, образуя супермолекулы [4, 5]. В этом случае возникающие ме-зофазы будут образованы уже не исходными молекулами ЖК, а вновь сформированными супермолекулами. Существуют работы, в которых проводились исследования подобных объемных мезофаз [6], однако нет публикаций, посвященных изучению адсорбционных свойств двумер-

ных молекулярных образований на основе ассоциированных ЖК.

Целью работы является установление зависимости термодинамических характеристик адсорбции органических соединений на мономолекулярном слое полярного жидкого кристалла 4-(3-гидроксипропилокси)-4'-формилазобензола, нанесенного на поверхность графитоподобного углеродного адсорбента, от пространственного и электронного строения молекул адсорбатов.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

В качестве адсорбента использовали графито-подобный углеродный носитель СагЬораек У (СрУ), являющийся аналогом графитированных термических саж, с удельной поверхностью 29.1 м2/г (данные низкотемпературной адсорбции азота). ГПОФАБ (С 98 8шА 135 N 141 I) наносили из раствора в хлороформе.

Ниже приведено строение молекулы 4-(3-гид-роксипропилокси)-4'-формилазобензола:

Навеска ЖК была взята с некоторым избытком от расчетного значения, соответствующего образо-

Термодинамические характеристики адсорбции исследованных соединений на адсорбентах СрУ и СрУ/ГПОФАБ

№ Адсорбат СрУ СрУ/ГПОФАБ

4йи,1, кДж/моль , Дж/(моль К) дши>кДж/моль -Д£°с, Дж/(моль К)

1 н-Гексан 41.9 ± 0.9 110.0 ± 2.1 28.2 ± 3.0 99.5 ± 8.6

2 н-Гептан 48.7 ± 2.0 116.2 ± 4.6 40.8 ± 0.8 123.5 ± 2.2

3 «-Октан 54.3 ± 1.3 120.2 ± 2.8 48.5 ± 1.4 132.4 ± 3.4

4 н-Нонан 59.6 ± 1.0 122.2 ± 2.2 53.2 ± 1.2 136.5 ± 2.8

5 н-Декан - - 57.1 ± 1.4 138.5 ± 3.3

6 н-Ундекан - - 58.9 ± 3.2 136.8 ± 7.7

7 Циклогексан 32.7 ± 0.4 96.7 ± 1.1 32.8 ± 1.3 110.4 ± 3.4

8 Камфен 45.6 ± 0.8 105.9 ± 1.9 43.9 ± 0.8 117.0 ± 2.0

9 Бензол 39.9 ± 0.8 108.0 ± 2.0 27.1 ± 1.5 95.7 ± 3.9

10 Толуол 47.2 ± 2.8 113.4 ± 6.3 33.4 ± 0.7 103.8 ± 1.9

11 Этилбензол 51.5 ± 1.0 117.4 ± 2.3 37.9 ± 1.6 108.5 ± 4.1

12 о-Ксилол 55.3 ± 1.4 119.5 ± 3.0 44.9 ± 1.9 122.4 ± 4.8

13 .-Ксилол 54.4 ± 2.6 118.5 ± 5.8 43.9 ± 2.0 121.1 ± 5.0

14 и-Ксилол 56.2 ± 0.8 121.6 ± 1.8 46.7 ± 1.7 127.8 ± 4.3

15 Хлорбензол 47.3 ± 0.7 111.0 ± 1.6 38.3 ± 1.9 111.9 ± 4.7

16 1,3-Диоксан 35.0 ± 0.3 105.5 ± 0.8 39.9 ± 1.8 123.8 ± 4.7

17 1,4-Диоксан 34.8 ± 0.3 105.5 ± 0.8 39.4 ± 1.8 123.2 ± 5.0

18 Тетрагидрофуран 32.4 ± 1.2 105.2 ± 3.1 39.9 ± 2.2 128.9 ± 5.9

19 2-Метилпропанол-2 32.0 ± 2.2 104.6 ± 5.7 36.7 ± 2.7 120.7 ± 7.3

20 2-Метилпропанол-1 34.3 ± 1.3 105.9 ± 3.4 39.4 ± 2.3 123.7 ± 6.2

21 н-Бутанол 35.9 ± 1.9 106.9 ± 4.9 40.0 ± 1.8 122.9 ± 4.8

22 Циклогексанол 40.5 ± 0.3 106.3 ± 0.7 45.1 ± 1.1 123.3 ± 2.8

23 Циклогексанон 39.8 ± 0.3 105.3 ± 0.7 43.4 ± 1.9 118.4 ± 4.7

лярной энтропии идеального газа (изменение энтропии при адсорбции) .

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Линейный характер полученных температурных зависимостей констант Генри на колонках с модифицированным СрУ (рис. 1) свидетельствует об отсутствии объемной фазы ГПОФАБ на поверхности адсорбента, поскольку не наблюдается скачков удерживания при температурах его фазовых переходов. Нанесение сильнополярного ГПОФАБ привело к уменьшению констант Генри адсорбции для всех изученных веществ независимо от их полярности по сравнению с исходным адсорбентом. Так, для углеводородов, чьи молекулы способны только к дисперсионным взаимодействиям с модификатором, наблюдается значительное снижение констант Генри, тогда как для полярных адсорбатов, для молекул которых характерны специфические взаимодействия, а также образование водородной связи с концевыми фрагментами молекул ЖК, уменьшение

ванию монослоя на поверхности СрУ с планарно ориентированными молекулами ЖК.

В качестве адсорбатов использовали 23 органических соединения различных классов, позволяющие рассмотреть полный спектр межмолекулярных взаимодействий: нормальные алканы, ароматические соединения, спирты нормального и разветвленного строения, циклические и би-циклические соединения, в том числе содержащие гетероатомы.

Эксперимент проводили на газовом хроматографе "Цвет-100" с пламенно-ионизационным детектором. При различных температурах определяли константы Генри адсорбции К1с (см3/м2) [7], на основании которых по уравнению

1п К1с = В + А = ^ + + 1 (I)

1С т ЯТ Я

рассчитывали дифференциальную молярную теплоту адсорбции д^д =-Ди1 и разность стандартной дифференциальной молярной энтропии адсорбированного вещества и стандартной мо-

Рис. 1. Температурные зависимости констант Генри на исходном (I) и модифицированном (II) адсорбентах: а — к-гек-сан, б — бензол, в — циклогексан, г — циклогексанол.

9<ш, 1, кДж/моль 60 '

50 -

40 -

30 -

13

13

17

21 а, А3

5

9

5

9

Рис. 2. Зависимости теплот адсорбции исследованных соединений от поляризуемости а их молекул на адсорбенте СрУ (а) и модифицированном адсорбенте СрУ/ГПОФАБ (б); линии проведены по точкам для к-алканов; нумерация соответствует таблице. Остальные обозначения см. рис. 1.

констант Генри выражено в существенно меньшей степени. Необходимо отметить, что для алка-нов С7—С9 различия в константах Генри на исходном и модифицированном адсорбентах меньше, чем для алканов с пс < 7 и пс > 9.

Для неполярных или слабополярных адсорба-тов, чьи молекулы имеют плоское (ароматические соединения) или вытянутое (к-алканы) строение, значения теплот адсорбции на СрУ/ГПОФАБ меньше, чем на исходном СрУ (таблица). Теплоты адсорбции неполярных соединений с циклическим и каркасным строением

молекул (циклогексан, камфен) мало изменяется при нанесении ЖК на поверхность адсорбента.

Адсорбент СрУ (как аналог графитированных термических саж) характеризуется плоской в высокой степени геометрически однородной поверхностью, в случае которой реализуются только дисперсионные взаимодействия, что приводит к линейному возрастанию теплот адсорбции в гомологических рядах алканов при увеличении поляризуемости молекул (рис. 2а). Нанесение жидкокристаллического модификатора ГПОФАБ приводит к отклонению от прямолинейной зави-

Рис. 3. Предполагаемая структура монослоя ГПОФАБ.

симости для алканов (рис. 2б). Необходимо отметить, что для циклогексана (7) теплота адсорбции на модифицированном адсорбенте несколько больше, чем для бензола (9) и «-гексана (1), тогда как на исходном СрУ (как и на графитированных са-жах) теплоты увеличивается в ряду циклогексан ^ ^ бензол ^ «-гексан.

Такие изменения в теплотах адсорбции углеводородов различного строения после нанесения ЖК, по-видимому, связаны с тем, что поверхность модифицированного адсорбента приобретает определенный молекулярный микрорельеф. Способность молекул ГПОФАБ образовывать супермолекулы (ди-, три-, полиассоциаты) за счет водородных связей может приводить к формированию на плоской поверхности углеродной подложки сложных структур, которые оставляют часть поверхности СрУ доступной для молекул адсорбатов.

Наименьшее падение теплоты адсорбции после модифицирования проявляется для «-октана (5.8 кДж/моль). Это свидетельствует о наличии на поверхности исходного адсорбента, покрытого монослоем ГПОФАБ, промежутков между молекулами модификатора по размерам соответствующих молекулам «-октана (рис. 3). Необходимо отметить, что в предыдущих работах, посвященных изучению адсорбционных свойств монослоев каламитных ЖК, не склонных к ассоциации, такой ситуации не наблюдалось [8—10]. Таким образом, при адсорбции «-алканов наблюдается уменьшение разницы теплот адсорбции на исходном и модифицированном адсорбентах при приближении размеров этих молекул к размерам молекулы «-октана, чему соответствует наибольшее число межмолекулярных контактов между доступной поверхностью базовой грани кристалла графита и молекулой адсорбата, после чего разница теплот адсорбции снова начинает увеличиваться.

Тот факт, что в случае циклогексана (7) и камфена (8) теплоты

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком