absorpcja

Absorpcja — proces całkowitego lub częściowego pochłaniania energii promieniowania elektromagnetycznego (np. światła widzialnego), fal sprężystych (np. fal dźwiękowych) lub promieniowania cząsteczkowego (np. neutronów, elektronów, cząstek α) przez różne ośrodki (tzw. absorpcja fizyczna) bądź proces pochłaniania substancji (tzw. absorbatów) (np. atomów, cząsteczek, jonów) przez inne substancje (tzw. absorbenty) tworzące fazę ciągłą (np. gazową, ciekłą, stałą) (tzw. absorpcja chemiczna). Absorpcja ma istotne znaczenie dla funkcjonowania organizmów żywych, umożliwiając wchłanianie wody i składników odżywczych, pochłanianie światła przez barwniki fotosyntetyczne lub wymianę gazów oddechowych (tlenu i dwutlenku węgla). Procesy absorpcji są powszechnie wykorzystywane w analizie i inżynierii chemicznej, przemyśle farmaceutycznym, medycynie, biotechnologii, rolnictwie i ochronie środowiska.

Absorpcja fizyczna

Absorpcja (łac. absorptio – wchłanianie, pochłanianie) w fizyce oznacza proces całkowitego lub częściowego pochłaniania energii promieniowania, czyli energii przenoszonej w postaci fali elektromagnetycznej (np. światła widzialnego, podczerwieni, ultrafioletu) lub strumienia cząstek (np. neutronów, elektronów, cząstek α) bądź energii mechanicznej, czyli energii przenoszonej przez podłużne fale rozchodzące się w ośrodku sprężystym (fale dźwiękowe). Energia pochłonięta (zaabsorbowana) przez dany ośrodek może ulegać przemianie w inne postacie energii (np. energię cieplną, energię chemiczną) (tzw. absorpcja właściwa) bądź rozpraszaniu (zmiany kierunku propagacji fal) w wyniku oddziaływania z tym ośrodkiem.

Absorpcja energii powoduje wzrost energii wewnętrznej ośrodka, powodując wzbudzenie atomów lub cząsteczek (przejście w stan wyższego poziomu energetycznego), czego skutkiem mogą być następujące procesy i zjawiska fizyczne:

• reakcje jądrowe, np. wychwyt neutronu (pochłanianie neutronu przez jądro atomowe z wytworzeniem jądra cięższego), rozszczepienie jądra atomowego (rozpad ciężkiego jądra na jądra lżejsze) zachodzące w wyniku absorpcji neutronów;
• reakcja fotochemiczna – wzbudzenie elektronowe cząsteczek danego ośrodka prowadzące do rozkładu tych cząsteczek (tzw. fotolizy) pod wpływem absorpcji światła widzialnego, ultrafioletu lub podczerwieni;
• zjawisko fotoelektryczne (tzw. fotoemisja) – emisja elektronów z powierzchni danego ośrodka zachodzące w wyniku absorpcji światła widzialnego lub ultrafioletu;
• zwiększenie energii kinetycznej cząsteczek prowadzące do wzrostu temperatury ośrodka pod wpływem absorpcji podczerwieni (tzw. absorpcja termiczna);
• wtórna emisja promieniowania elektromagnetycznego zachodząca w wyniku absorpcji światła widzialnego, ultrafioletu lub podczerwieni (fotoluminescencja);
• dysocjacja asocjatów (rozpad zgrupowań cząsteczek ośrodka na mniejsze, pojedyncze cząsteczki) zachodząca pod wpływem absorpcji fal sprężystych (np. dźwiękowych).

Miarą zdolności absorpcyjnej danego ośrodka, czyli jego zdolności do pochłaniania energii promieniowania (elektromagnetycznego lub cząsteczkowego) bądź energii fali dźwiękowej, jest współczynnik absorpcji, definiowany jako stosunek ilości energii pochłoniętej przez ten ośrodek do ilości energii docierającej do tego ośrodka w tym samym czasie. Współczynnik absorpcji zależy w głównej mierze od rodzaju i właściwości ośrodka (np. składu chemicznego, struktury, gęstości, grubości warstwy absorbującej) oraz długości fali (lub jej częstotliwości).

Etapy absorpcji chemicznej. Źródło: Designua/shutterstock.com

Absorpcja chemiczna

Absorpcja chemiczna jest procesem wchłaniania substancji (tzw. absorbatów) (np. atomów, cząsteczek lub jonów) przez inne substancje (tzw. absorbenty) tworzące dowolną fazę ciągłą (np. gazową, ciekłą lub stałą). Zjawisko absorpcji dotyczy głównie wnikania gazów do cieczy, np. wchłaniania dwutlenku węgla (CO₂) przez roztwór zasady sodowej (NaOH), lub wnikania gazów lub cieczy do wnętrza ciała stałego, np. silnego pochłaniania gazowego wodoru (H₂) przez pallad (Pd) (tzw. gąbka wodorowa). Wchłonięte absorbaty są następnie rozprowadzane w całej objętości absorbentów, przyczyniając się do lokalnych zmian stężenia substancji.

Etapy absorpcji chemicznej:

• kontakt cząsteczki absorbatu (np. gazu) z powierzchnią absorbentu (np. cieczy, ciała stałego) prowadzący do wzajemnych interakcji na granicy międzyfazowej (ciecz-gaz);
• przenikanie cząsteczki absorbatu przez granicę faz (ciecz-gaz) na drodze dyfuzji i jej równomierne rozprowadzanie w całej objętości absorbentu (rozpuszczanie fizyczne);
• reakcje chemiczne zachodzące pomiędzy cząsteczką absorbatu i absorbentem, prowadzące do utworzenia nowej substancji chemicznej (rozpuszczanie chemiczne).

Wydajność absorpcji chemicznej zależy zarówno od warunków środowiska reakcji, takich jak m.in. temperatura, ciśnienie i odczyn (pH), jak i od właściwości fizykochemicznych substancji uczestniczących w tym procesie (absorbatów i absorbentów), w tym ich składu chemicznego, struktury molekularnej (przestrzennego ułożenia atomów w cząsteczce), wielkości cząsteczki, rozpuszczalności, lipofilność, porowatości i właściwej powierzchni wchłaniania (absorpcji).

Proces absorpcji umożliwia roślinom fotosyntezę oraz pobieranie wody i składników odżywczych z roztworu glebowego. Źródło: Designer things/shutterstock.com

Biologiczne znaczenie absorpcji

Absorpcja, jako proces pochłaniania energii promieniowania elektromagnetycznego i szeregu ważnych substancji chemicznych, ma niezwykle istotne znaczenie dla życia i funkcjonowania organizmów żywych. Absorpcja fotonów światła widzialnego przez barwniki fotosyntetyczne roślin (np. chlorofile, karotenoidy) powoduje wzbudzenie ich elektronów, które przekazują energię świetlną do centrum reakcji, gdzie ulega ona przekształceniu w energię chemiczną do napędzania fotosyntezy. Dwutlenek węgla absorbowany przez aparaty szparkowe jest w tym procesie głównym źródłem węgla niezbędnym do syntezy związków organicznych (glukozy). Proces absorpcji zapewnia również prawidłowy wzrost i rozwój roślin; za jego pośrednictwem odbywa się pobieranie wody i niezbędnych składników mineralnych z roztworu glebowego.

Absorpcja składników odżywczych (np. aminokwasów, cukrów prostych, soli mineralnych, witamin) zachodząca w układzie pokarmowym zwierząt (np. w jelicie cienkim człowieka) stanowi podstawę metabolizmu zapewniającego energię niezbędną do wszystkich procesów życiowych i utrzymywania równowagi wewnętrznej organizmu (homeostazy). Absorpcja pełni także ważną rolę w procesie oddychania, gdzie odpowiada za wymianę gazów oddechowych (tlenu i dwutlenku węgla) w płucach (np. w pęcherzykach płucnych człowieka). Pochłanianie światła przez fotoreceptory (np. czopki i pręciki siatkówki) i ich przekształcanie w impulsy nerwowe docierające do mózgu umożliwiają zwierzętom odbieranie wrażeń wzrokowych.

Absorpcja składników odżywczych w układzie pokarmowym stanowi podstawę metabolizmu zapewniającego energię do wszystkich procesów życiowych. Źródło: Olena758/shutterstock.com

Zastosowania absorpcji

Procesy absorpcji są powszechnie wykorzystywane w przemyśle chemicznym do produkcji szeregu związków chemicznych o znaczeniu komercyjnym (np. kwasu siarkowego (VI), kwasu solnego, kwasu azotowego (V), wody amoniakalnej), oczyszczania gazów z niepożądanych składników (np. absorpcja tlenków siarki w roztworze wodorotlenku wapnia) i wydzielania cennych składników z mieszanin gazowych (np. wydzielanie benzolu z gazu węglowego). Stanowi podstawę spektroskopii absorpcyjnej wykorzystywanej w analizie chemicznej do ilościowego oznaczania pierwiastków i związków chemicznych w próbkach i monitorowania przebiegu reakcji chemicznych. Proces absorpcji jest również wykorzystywany w przemyśle farmaceutycznym do produkcji leków oraz medycynie w różnych technikach diagnostycznych (np. radiografii, tomografii komputerowej, densytometrii). W ochronie środowiska absorpcja  ma zastosowanie w systemach kontroli emisji gazów cieplarnianych (np. dwutlenku węgla).

Bibliografia:

1. Biologia Campbella, Jane B. Reece, Lisa E. Urry, Michael L. Cain, Steven A. Wasserman, Peter V. Minorsky, Robert B. Jackson, Dom Wydawniczy Rebis, Poznań 2020.
2. Biologia, Eldra Pearl Solomon, Linda R. Berg, Diana W. Martin, Claude A. Villee, Multico Oficyna Wydawnicza, Warszawa 1996.
3. Chemia fizyczna – krótkie wykłady, Gavin Whittaker, Andy Mount, Matthew Heal, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2006.
4. Chemia fizyczna, Peter Atkins, Julio de Paula, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2015.
5. Chemia środowiska, Gary W. VanLoon, Stephen J. Duffy, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2007.
6. Encyklopedia biologiczna T. I, Zdzisława Otałęga (red. nacz.), Agencja Publicystyczno-Wydawnicza Opres, Kraków 1998.