XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Введение

Сорбентышироко используют в медицинской практике длядетоксикацииорганизма при профилактике и лечении различных заболеваний.

При употреблении в пищу недоброкачественных продуктов, при отравлении ядовитыми веществами первая помощь – это применение в качестве сорбента фармацевтических препаратов, таких как активированный уголь, полисорб, смекта, энтеросгель.

Это вещества со способностью впитывания большого количества вредных компонентов для организма человека. Благодаря применению сорбирующих препаратов их можно быстро и эффективно вывести.

Сорбенты очищают как желудочно-кишечную, так и кровеносную системы, в некоторой степени избавляет от холестерина, а также способствует похудению.

Актуальность работызаключаетсяв высокой значимости явления сорбции в связи с решением не только экологических проблем и проблем получения особо чистых веществ, но и проблем здоровья человека.

Цель работы: изучение процесса адсорбции, её характеристик и использование в жизнедеятельности, сравнение сорбционных свойств различных лекарственных препаратов.

Задачи:

1. Исследовать информацию о явлении сорбции.

2. Изучить сущность процесса адсорбции, ее классификацию, механизм.

3. Сравнить вещества, обладающие высокой сорбционной способностью.

4. Ознакомиться с использованием данного явления в быту и промышленности.

5. Изучить свойства отдельных фармацевтических сорбентов.

6. Провести социологический опрос с использованием Google Forms и выполнить статистическую обработку результатов.

Объектом нашего исследования является процесс адсорбции.

Предметом исследования является адсорбенты: активированный уголь, полисорб, энтеросгель.

Гипотеза: используемые человеком различные сорбенты обладают различными сорбционными свойствами. Активированный уголь, как доступный адсорбент, необходим для жизни человека: очищает воду, воздух, почву, дыхательную систему и желудочно-кишечный тракт при отравлениях, а также выбросы в окружающую среду с химических предприятий, очистных сооружений.

Этапы выполнения исследовательской работы:

- Изучение теоретической информации;

- Создание анкеты в Google Forms, рассылка, получение и обработка результатов средствами Microsoft Excel;

- Проведение экспериментального исследования;

- Формулирование выводов по работе.

Методы исследования – прямой эксперимент, анализ, сравнение, социологический опрос-анкетирование.

Научная новизна – исследовательская работа способствует развитию у учащихся любознательности, наблюдательности и приобретению практических навыков проведения наблюдений, исследованию и обобщению информации для обоснования конечных выводов.

Социальная значимость исследовательской работы продиктована необходимостью иметь знания о явлении сорбции и её применении в жизни, что позволит людям лучше понимать процессы, происходящие в повседневной жизни.

Глава 1. Литературный обзор

1.1. Понятие сорбция. Первые исторические сведения о процессе адсорбции

Сорбция - поглощение твердым телом или жидкостью какого-либо вещества из окружающей среды.

Сорбция относится к действию абсорбции или адсорбции:

• Абсорбция – объёмное слияние двух веществ, находящихся в разных агрегатных состояниях (напр. жидкости, абсорбирующиеся твёрдыми телами или газами, газы, абсорбирующиеся жидкостями и т.д.).

• Адсорбция(от лат. ad– на и sorbeo– по­гло­щать) – по­гло­ще­ние ве­ще­ст­ва из га­зо­вой фа­зы или жид­ко­го рас­тво­ра по­верх­но­ст­ным сло­ем твёр­до­го те­ла или жид­ко­сти.

Вещество, на поверхности которого происходит адсорбция, называется адсорбентом, а поглощаемое из объёмной фазы — адсорбатом.

Про­цесс, об­рат­ный адсорбции называют де­сорб­ция. Адсорбция– ча­ст­ный слу­чайсорбции [7].

При­ме­не­ние ад­сорбционных про­цес­сов да­ти­ру­ет­ся концом 18века, ко­гда не­зависи­мо и прак­ти­че­ски од­но­вре­мен­но поя­ви­лись три пуб­ли­ка­ции: итальянский на­ту­ра­лист Ф.Фон­та­на и К.Шее­лев 1777 году опи­са­ли по­гло­ще­ние га­зов дре­вес­ным уг­лем, в 1785 году Т.Е.Ло­вицоб­на­ру­жил спо­соб­ность та­ких уг­лей обес­цве­чи­вать рас­тво­ры вин­ных ки­слот, по­гло­щая ор­га­нические при­ме­си.

Для доказательства эффективности сорбирующих средств французский учёный Бертранд в 1830 году публично принял чайную ложку мышьяка, смешанного с углем. Таким образом, он убедил общественность в способности сорбентов нейтрализовать действие ядов [12].

В зависимости от характера взаимодействия между молекулой адсорбата и адсорбентом адсорбцию принято подразделять на две группы, вызываемые преимущественно взаимодействиями физической или химической природы.

Физическая, или вандерваальсова, адсорбция вызывается теми же силами, что и молекулярные взаимодействия. Менее прочная физическая адсорбция не сопровождается существенными изменениями молекул адсорбата. Она обусловлена силами межмолекулярного взаимодействия, которые связывают молекулы в жидкостях и некоторых кристаллах и проявляются в поведении сильно сжатых газов.

Химическаяадсорбция, или хемосорбция, вызывается химическими силами, возникающими в результате перераспределения электронных орбиталей молекул адсорбата и адсорбента.

При хемосорбции молекулы адсорбата и адсорбента образуют химические соединения.

1.2. Адсорбенты: их структура и применение

Адсорбент должен обладать необходимой селективностью; отсутствием каталитической активности и химической инертностью к компонентам разделяемой смеси; достаточной механической прочностью; быть доступным.

Адсорбенты применяют в противогазах, в качестве носителей катализаторов, для очистки газов, спиртов, масел, при переработке нефти, в медицине для поглощения газов и ядов.

Адсорбция лежит в основе клинического анализа крови на скорость осаждения эритроцитов. Так, при инфекционных заболеваниях в крови происходит обменная адсорбция: вместо ионов электролитов поверхность эритроцитов занимают молекулы белков. При этом заряд эритроцитов понижается и они быстрее объединяются и оседают.

Адсорбционная терапия применяется для удаления токсинов и вредных веществ из пищеварительного тракта. Такие адсорбенты, как гидроксид алюминия, оксид магния, фосфат алюминия, входят в состав препаратов алмагель, фосфалюгель.

Характерной особенностью твердых поверхностей является их пористость (отношение суммарного объема пор к общему объему адсорбента). Природа поверхности адсорбента, размеры и форма его пор влияют на адсорбцию, изменяют ее характеристики, т.е. механизм адсорбции.

Особенности адсорбции на поверхности твердых тел. Твердые поверхности в качестве адсорбентов используются для адсорбции газов или жидкостей, а адсорбционные процессы при этом протекают на границе раздела твердое тело - газ и твердое тело — жидкость. Твердые адсорбенты имеют поры различного размера.

1.3. Выводы по главе 1

Абсорбция и адсорбция это две разновидности процесса сорбции.

Абсорбция - поглощение, всасывание какого-либо вещества израствора или изгазавсей массойдругого вещества.

Адсорбция - поглощение, всасывание вещества израствора или газаповерхностьютвердого тела или поверхностным слоем жидкости.

Между понятиями «абсорбент» и«адсорбент» может возникать путаница потому, что итот, идругой навидимом уровне поглощают своим объемом.

Важно подчеркнуть, что адсорбенты поглощают засчет прилипания поглощаемого вещества кповерхности, которая велика из-за большого числа внутренних пор. Отсюда возникает впечатление, что адсорбенты тоже поглощают своим объемом, тоесть внешний эффект смешивает понятия.

Различают физическую и химическую адсорбцию веществ на поверхности.

При физической адсорбции адсорбированный слой связан с поверхностью слабыми межатомными связями, напримерсилами Ван-дер-Ваальса.Теплота физической адсорбции, как правило,невелика и редко превосходит несколько десятков кДж/моль(~ 40 кДж/моль).Процесс физической адсорбции обратим, относится кнеактивируемым,протекает очень быстро, как только молекулы адсорбата окажутся наповерхности твердого или жидкого тела.

Хемосорбция представляет собой процесс поглощения поверхностью жидкого или твердого тела веществ из окружающей среды, сопровождающийсяобразованием химических соединений. При хемосорбциивыделяется значительное количество теплоты. Обычнотеплоты хемосорбции лежат в пределах 80 – 125 кДж/моль.

Адсорбция лежит в основе многих технологических процессов - синтеза, разделения, осушки, концентрирования и т.д.

Наиболее известные случаиприменения адсорбции- это очистка воздуха от вредных примесей (например, в противогазах) и очистка нефтепродуктов (основана на способности адсорбентов удерживать на своей поверхности примеси).

Не менее важную роль играет адсорбция в медицине и фармации, где она применяется не только в технологических процессах, но и непосредственно для лечебных целей, например для удаления токсинов или нормализации баланса организма.

Глава 2. Сравнение сорбционных свойств фармацевтических препаратов

2.1. Опрос

Перед выбором объектов анализа в МБОУ г. Астрахани «Гимназии №3» среди обучающихся 9-х классов был проведен социологический опрос по следующим критериям:

1. Пол.

2. Возраст.

3. Рост.

4. Вес.

5. Слышали ли вы о понятии «сорбция», «адсорбция» «абсорбция»?

6. Какие адсорбирующие вещества вы знаете?

7. Где применяется активированный уголь?

В социологическом опросе участвовало 25 человек.

После обработки результатов опроса учащихся получены следующие данные:

1. Пол: женский 60%, мужской 40%

2. Средний возраст: 15-16 лет.

3. Средний рост: 163 см.

4. Средний вес: 50-70

5. О понятиях «сорбция» и «адсорбция» знают 30%.

6. 100% опрошенных назвали активированный уголь, 90% - полисорб, 70% - энтеросгель.

7. Около 98% респондентов ответили, что применяют активированный уголь в медицинских целях.

По результатам опроса для анализа в качестве адсорбентов были выбраны: активированный уголь, полисорб и энтеросгель.

2.2. Проведение экспериментальной части исследования

2.2.1. Сорбция окрашенных растворов

Для выполнения практического задания нам понадобились растворы йода, бриллиантового зеленого, свекольного сока, напитка «Байкал», которые были взяты в объеме 0,5 мл и разбавлены водой в соотношении 1:5. Разбавленные раствор поместили в пронумерованные пробирки, в каждую добавили по 0,5 г адсорбента и оставили растворы на 30 минут.

По истечении времени наблюдали следующую картину:

- в растворе йода пробирка с активированным углем заметно посветлела, с другими сорбентами цвет раствора не изменился (приложение 1);

- в растворе бриллиантового зеленого лучшие сорбирующие свойства показал полисорб (адсорбент поглотил краситель и раствор стал прозрачным), а в пробирке с активированным углем окраска не изменилась (приложение 2);

- в пробирках со свекольным соком цвет раствора не изменился (приложение 3);

- в пробирках с напитком «Байкал» снова лучшим сорбентом явился полисорб (приложение 4).

Данный эксперимент показал, что лучшей сорбционной способностью обладает препарат полисорб.

Порошок полисорба содержит коллоидный диоксид кремния в качестве единственного активного вещества, он давно известен и активно используется в пищевой и фармацевтической промышленности, учитывая его доказанную безопасность, отсутствие кристаллической структуры (аморфность).

2.2.2. Сорбция запахов

Для выполнения практического задания мы использовали растворы аммиака, уксусной эссенции и парфюмерной воды. Разлили пахучие жидкости по пронумерованным пробиркам, чтобы выяснить экспериментальным путем какой сорбент лучше справится с поглощением запахов, добавили в растворы по 1 г сорбента. Пробирки закрыли пробкой и оставили на 30 минут.

Через полчаса открыли пробирки и направляли воздух к себе взмахами ладони.

Этот эксперимент показал, что лучшим устранителем резких запахов является активированный уголь.

Данное свойство активированного угля можно использовать в промышленных зонах, в помещениях, где проводятся лакокрасочные работы. В быту – активированный уголь будет хорошо впитывать неприятные запахи в холодильнике, в шкафу, где хранятся моющие и чистящие средства.

2.2.3. Сорбция газообразного вещества активированным углем

Для выполнения практического задания нам понадобились две колбы, которые наполнили дымом от тлеющей лучины: в одну поместили 5 таблеток активированного угля, во вторую - 5 растолченных таблеток угля и закрыли пробкой. В колбе с порошком дым поглощается через 3-5 секунд, в отличие от колбы с цельными таблетками, где дым впитывался медленно (приложение 5).

Данное свойство активированного угля можно использовать в помещениях с повышенной задымленностью, например, в комнатах для курения.

После проведения этого эксперимента мы сделали следующие выводы:

· Активированный уголь обладает адсорбционной способностью впитывать в себя газообразные вещества;

· Использование угля, имеющего маленькие размеры частиц, является причиной более быстрой адсорбции, так как адсорбируемые молекулы получают прямой доступ к микропорам.

Поэтому основным материалом фильтрующей поглощающей коробки в противогазах, являющимся реальнойзащитой против ядовитых веществ, стал активированный уголь, который продается в обычных аптеках как лекарство, но проходит специальную обработку, для того чтобы он смог выдержать любые химические атаки [11].

Заключение

На основании проведенного нами исследования можно сделать следующие выводы:

1. Изучили информацию о явлении сорбции, сущность и механизм процесса адсорбции;

2. Сравнили сорбционную активность лекарственных веществ;

3. Предложили использовать некоторые адсорбенты в жизнедеятельности.

Главная задача сорбента — активное связывание веществ без изменения их химического состава. Такими свойствами обладают многие сорбенты, но человеком широко применяются активированный уголь и полисорб.

В ходе исследования мы удостоверились, что лучшими адсорбционными свойствами обладают активированный уголь и полисорб.

Таким образом, фармацевтические адсорбенты:

· связывают чужеродные агенты и нейтрализуют их пагубное влияние;

· фиксируют и переносят физиологически активные вещества – холестерин, жёлчные кислоты, ферменты;

· облегчают работу печени – природного фильтра организма;

· улучшают работу желудочно-кишечного тракта.

Вещества с сорбирующими свойствами популярны не только в медицине, где их используют для очищения организма от ядов, токсинов и шлаков, но и используются для дезинфекции и очистки воды, в химической и газовой промышленности.

Перспективы дальнейшего исследования процесса сорбции мы видим в более детальном изучениисвойств сорбентов на примере компьютерного моделирования. Мы планируем создать электронный макет процесса сорбции, который бы позволял наглядно показать механизм этого явления.

Список источников и литературы

1. А.И. Бусев. Определения, понятия, термины в химии - Москва.: Просвещение, 1981. - 192с.

2. О.С. Габриелян. Химия.8 класс - Москва.: Дрофа, 2011 - 208с.

3. ГерасимовЯ. И. -Курс физической химии, том 1,2. - 1964. - 626с., 614с.

4. Грег С., Синг К. Адсорбция, удельная поверхность, пористость. М.: Мир, 1984 - 310с.

5. Кельцев Н. В.Основы адсорбционной техники. М.: Химия, 1984 - 592с.

6. Фролов Ю. Г.Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы. М.: Химия, 1989 - 464с.

7. https://bigenc.ru/chemistry/text/1801545

8. https://www.booksite.ru/fulltext/1/001/008/002/349.htm

9. https://studme.org/354779/matematika_himiya_fizik/adsorbtsiya

10. http://bio.fizteh.ru/student/files/chmoph/practicum/pdf_vers/lab21-arpgl6eetp5.pdf

11. https://tkrim.ru/stati2/105-unikalnye-materialy-izgotovleniya-protivogazov

12. https://sgb2.ru/adsorbenty-nazvanie-preparatov-i-osobennosti-ih

13. https://studbooks.net/2287171/matematika_himiya_fizika/opredelenie_corbtsii_vidy

Приложения

Приложение 1

Приложение 2

Приложение 3

Приложение 4

Приложение 5