Адсорбция ↔ десорбция

Концентрация адсорбтива в объеме или соответствующее ей давление называется равновесной концентрацией или соответственно равновесным давлением.

Адсорбция газов, не осложненная побочными процессами, на гладких поверхностях практически протекает мгновенно. На пористых адсорбентах скорость адсорбции лимитируется медленным протеканием газа в капиллярах, что удлиняет адсорбцию даже до нескольких часов. Если адсорбция связана с химическим взаимодействием, то скорость ее быстро растет с температурой в соответствии с уравнением Аррениуса.

Адсорбция на границе твердое тело-газ.

Примером адсорбции может служить поглощение платиной или палладием водорода. При хемосорбции происходит химическое взаимодействие сорбтива с сорбентом с образованием нового химического вещества. Например: СО₂ приведенное в соприкосновение с порошком СаО, химически взаимодействует с последним с образованием новой твердой фазы СаСО_3. Капиллярная конденсация играет значительную роль в водном режиме почв. Твердые адсорбенты – это природные и искусственные материалы с большой наружной и внутренней поверхностью, на которой происходит адсорбция. Непористые адсорбенты (порошкообразные) обладают наружной поверхностью. Для пористых адсорбентов характерна внутренняя поверхность. Хорошими адсорбентами являются тела с сильно развитой поверхностью, (пористый уголь, пемза, обезвоженные глины, цеолиты, силикагели). Наиболеее важной характеристикой твердых адсорбентов является величина удельной поверхности и характер распределения пор по размерам. Истинная, участвующая в адсорбции поверхность адсорбента, отнесенная к 1 г его, называется удельной поверхностью. Адсорбционная способность зависит от природы поглощаемого газа. Часто на нее большое влияние оказывает и химическая природа поглотителя.

Важнейшей характеристикой сорбционного процесса является графическая зависимость количества сорбированного вещества m, А (адсорбция) или Г(величина удельной адсорбции) от равновесной концентрации или давления при Т=соnst называемая изотермой сорбции.

Из всех сорбционных процессов наибольшее значение имеет адсорбция: для очистки воды и растворов, газов и паров из воздуха, в каталитических процессах, в военно-химическом деле. В 1773 г Шееле описал свои опыты по поглощению газов углем. Русский химик Т.Е.Ловиц открыл явление адсорбции из растворов. Наиболее полные исследования адсорбции газов на углях, зависимости ее от способов активирования углей проведены Н.Д.Зелинским, Н.А.Шиловым, М.М.Дубининым. Огромное значение имеет противогаз с твердым адсорбентом, изобретенный Н.Д.Зелинским в период первой мировой войны. Активированный уголь в противогазе играет роль не только адсорбента целого ряда отравляющих веществ, но и катализатора реакции разложения многих из них. Высокая адсорбционная способность активного угля объясняется сильно развитой пористой поверхностью. Скорость адсорбции имеет большое значение для практического использования различных адсорбентов. К примеру в противогазе, проходящий через коробку воздух должен очень быстро очищаться от примесей отравляющих веществ. Это возможно только при очень высоких скоростях адсорбционных процессов.

Для объяснения адсорбции существуют различные теории:

1. Теория молекулярной адсорбции Ленгмюра, предложена в 1915г.

Основные положения теории Ленгмюра.

а) адсорбция является локализованной и вызывается силами близкими к химическим;

б) адсорбция молекул адсорбата происходит на активных центрах (пики, возвышения);

в) активные центры характеризуются большой ненасыщенностью силового поля, благодаря чему на центрах удерживаются молекулы адсорбированного газа, они не перемещаются по поверхности адсорбента и не взаимодействуют друг с другом;

г)каждый активный центр обладает малым радиусом действия и способен насыщаться. Поэтому активный центр может провзаимодействовать лишь с одной молекулой адсорбата. В результате этого на поверхности адсорбента может образоваться только один (мономолекулярный) слой адсорбата;

д) адсорбированные молекулы удерживаются данным активным центром только в течение определенного промежутка времени. Через время молекулы отрываются от активного центра и переходят в газовую фазу. Взамен этих молекул активные центры могут адсорбировать новые молекулы. Время пребывания молекул в адсорбированном состоянии зависит от температуры (при низких –сколь угодно большим, при высоких тем-рах 10^-6 с);

е) силы взаимодействия между адсорбированными молекулами не учитываются. На основании приведенных положений было выведено уравнение изотермы адсорбции Ленгмюра

Г=Г_max С/С+а

где Г-адсорбция, С-равновесная концентрация газа, а- отношение скоростей десорбции и адсорбции.

Это уравнение справедливо для широкого интервала концентраций и границ раздела (т-г,т-ж, ж-г,ж-ж). Уравнение показывает, что при малых концентрациях (С≤а) адсорбция пропорциональна концентрации

Г=КС

А при высоких концентрациях (С≥а), адсорбция стремится к предельному значению. Уравнение изотермы адсорбции Ленгмюра справедливо для широкого интервала концентраций и для границ раздела, как подвижных (ж-г,ж-ж), так и твердых (т-г,т-ж).