ספיחה

ספיחה (אדהזיה, adsorption) היא תהליך היצמדותם של אטומים, ביו-מולקולות או מולקולות גז, מוצק מומס או נוזל אל משטח. תהליך זה יוצר שכבה של חומר הנצמד למשטח (פילם). התהליך שונה מתהליך הספיגה (absorption), שבו נוזל או גז מחלחל לחללים במוצק, שכן הוא מתרחש על פני השטח. ספיחה נבדלת מהמסה או קשר כימי בכך שלא מתקבלת תרכובת כימית בין הסופח לנספח.

ספיחה סלקטיבית של גז על מוצק או נוזל, מאפשרת טיהור אוויר מחלקיקים ומולקולות.

התהליך של ספיחה

ספיחה מתרחשת כאשר קיים מגע צמוד בין שטח הפנים (פאזה) של החומר הסופח (adsorbant) לחומר הנספח (adsorbate). הקשר מתחיל במתח הפנים הבולט בעיקר בנוזלים, אבל קיים גם במוצק וגז. המתח הוא תוצאה של תאחיזה של כל מרכיב לעצמו. הנספח והסופח - (קוהזיה) לעומת התאחיזה ביניהם - (אדהזיה). אם הקוהזיה חזקה מהאדהזיה לא תיווצר ספיחה. קוהזיה של נוזל גורמת ליצירת טיפות כדוריות על המשטח. לדוגמה כספית, שבה כוחות קוהזיה חזקים, יוצרת כדור על משטח או בתוך מים, או מים היוצרים טיפות על משטח שמן חומרים שאינם נספחים למים נקראים הידרופובים. כאשר האדהזיה חזקה מהקוהזיה, ייוצר משטח אחיד או ציפוי של החומר הנספח על החומר הסופח מבלי שהחומר הנספח נמס או נספג בתוך החומר הסופח. דוגמה: מים ושמן נפרדים,אבל הוספת סבון תגרום לפיזור השמן בתוך נפח המים. חומרים המורידים את הקוהזיה ומגבירים את האדהזיה נקראים חומרים מתחלבים (אמולסיפיירים). תמיסה מימית המכילה שמן נקראת תחליב (אמולסיה). מולקולה של סבון מורכבת משרשרת של חומצה שומנית - הנמסה בשמן הקשורה ליון הנמס במים (כמו נתרן או אשלגן). השמן לא נמס במים אבל יוצר חלקיקים מיקרוסקופים המרחפים במים כמו קולואידים.

הגורמים לספיחה

קיימים שלושה מודלים פיזיקליים שגורמים לספיחה:

כח ואן דר וואלס: תאחיזה בין מולקולות ללא קשר כימי, בגלל המטען החשמלי החיצוני של החומרים, הנמשכים זה אל זה לדוגמה - מולקולות המים הן קוטביות פראמגנטיות- כלומר החמצן יוצר קטב שלילי והמימנים קוטב חיובי. כח זה חלש, אבל במגע של משטחי חומרים שונים, נוצרים נקודות מפגש רבות, ככל שהנקודות על המשטחים רבות יותר תתחזק ההצמדה בין החומרים. לדוגמה: קולואיד הוא מצב של חלקיק (צבר של מולקולות רבות בגודל מיקרוני) שלא נמס במים אבל נשאר בתרחיף המכונה תמיסה קולואידלית כיוון שהאדהזיה שלו עם המים חזקה יותר מהקוהזיה (המשיכה של החלקיקים אחד לשני). כוח ואן דר ואלס נמצא גם בתוך תאים, למשל במבנה הדו סלילי של DNA.שם נוצר כח המשיכה מיצירת קשר מימן בין שרשות הנוקליאוטידים ונוצר הסליל הכפול הייחודי של ה-DNA.

קשר מימני בין מולקולות מים, או בין מים לקולואיד.

מתח הפנים: בנוזלים מבחינים בתופעה של שכבה דקה, הנראית כקרום על פני הנוזל האופייני למים או שמן. המתח נוצר למעשה מכח הקוהזיה, כלומר היצמדות מולקולות הנוזל לעצמן חזקה מהיצמדותו לאוויר העוטף אותו. כאשר לסופח שטח פנים גדול, נקודות המגע שלו עם חומר נספח, גז או נוזל יוצרות קשר בין שטח הפנים של שני החומרים וכתוצאה נצמדים החומרים זה לזה .

ספיחה כימית: היא תוצאה של שילוב שני הכוחות, מתח פנים וכח ואן-דר-ואלס, ונוצרת ספיחה ברמה מולקולרית. לדוגמה: פחם פעיל סופח גז או כימיכלים שבאוויר או במים, ובכך משמש כמטהר אוויר, וסופח גזים וחומרים אורגניים. קיימים חומרים בעלי שטח פנים גבוה המשמשים לספיחת מולקולות ויונים מתוך מים כמו זאוליט או סיבים ומשמשים לטיהור מים.

ההבדל בין ספיחה, לספיגה או המסה: המסה היא פיזור של מולקולות או יונים בתוך ממס בפיזור אקראי והומוגני. ספיגה היא פיזור מסה של החומר הנספג בתוך גוף החומר הסופג,כאשר החומר נספג בחללים שבחומר הסופג ולא בחומר עצמו. ספיגה נגרמת בין מוצק לנוזל בגלל הלחץ האטמוספירי על הנוזל, ולכן בהפעלת לחץ נגדי (סחיטה או לחץ צנטריפוגלי) ניתן להפריד בין החומרים.

המודל של ברונאר (Brunauer), אמט (Emmett) וטלר (Teller) לספיחה רבת שכבות, הוא התפלגות אקראית של מולקולות החומר.

שיטות למדידת ספיחה

מדידת עוצמת הספיחה היא כלי לבדיקת צמיגות, כושר הדבקה של דבקים, צבע על גבי משטחי חומר שונים, כושר ספיחה של גזים למסננים, או ספיחה של אבק על מסבים ומערכות מכניות. השיטות העיקריות לבדיקת עוצמת הספיחה הן:

בדיקת צמיגות נעשית במערכת המודדת את כוח ההידבקות של דסקית על פני הנוזל, על-ידי הפעלת מתיחה עד הינתקות הדסקית.

ספיחה של גז על פני מוצק בנפח קבוע נמדדת כמות הגז שנשאר במערכת סגורה לאחר הספיגה, או בתהליך דינמי של הזרמה של הגז על פני משטח סופח בשיטת BET: Brunauer--Emmet-Teller המאפשרת חישוב היחס בין מסת החומר הסופח לכמות הגז הנספח וכך לחשב את שטח הפנים וכן את כמות החומר הנספח.

מדידת שטח הפנים של מוצק או חומר ביולוגי אפשרית גם באמצעות מיקרוסקופ אלקטרוני סורק (SEM) שמודד את שינויי שטח הפנים והנקבוביות של החומר. שיטה זו מאפשרת חישוב שטח הפנים של כל חלקיק בנפרד.

עליה נימית: כאשר מכניסים צינורית זכוכית דקה למים, יעלו המים בצינורית עד גובה התלוי בקוטר הצינורית. העלייה נגרמת כתוצאה מהאדהזיה שבין המים לזכוכית, ככל שעולים המים גדל העומס של עמוד המים עד לנקודה שבה כוח האדהזיה שווה לעומס עמוד המים.

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא ספיחה בוויקישיתוף

• topic/adsorption-and-surface-reaction ספיחה, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)
• ספיחה, דף שער בספרייה הלאומית

• Derivation of Langmuir and BET isotherms, at JHU.edu
• Carbon Adsorption, at MEGTEC.com