1.3. Терминология

Следует различать термины "адсорбция" и "абсорбция". В отличие от адсорбции абсорбция представляет собой поглощение вещества не поверхностью, а всем объемом фазы. Примерами являются растворение газа в жидкости (например, морская и речная вода всегда содержит определенное количество кислорода, обеспечивающего жизнедеятельность животных и растительных организмов; соляная кислота образуется при абсорбции хлористого водорода в воде) или твердом теле, например, в металле (абсорбция водорода в палладии). Оба термина — адсорбция и абсорбция происходят от латинского слова sorbeo, которое означает "поглощаю", "втягиваю". Поэтому, когда не требуется различать характер поглощения — поверхностный или объемный, или когда этот характер смешанный, или, наконец, он неизвестен — употребляют термин "сорбция".

На рис. 1.1 перечислены производные термины, соответствующие рекомендации Международного союза по чистой и прикладной химии. Вещество-поглотитель называют сорбентом.

Если хотят при этом указать характер поглощения, то употребляют термины "адсорбент" или "абсорбент". Поглощаемое вещество, находящееся в газовой среде, называют сорбтивом (соответственно, адсорбтивом или абсорбтивом), в адсорбционной фазе — сорбатом (соответственно, адсорбатом или абсорбатом).

2.1. Причина адсорбции

Каковы причины, вызывающие адсорбцию? Рассмотрим этот вопрос на примере системы газ — твердое тело. Атомы и молекулы, образующие твердое тело, связаны между собой силами взаимодействия химической и физической природы. Это электростатические или кулоновские связи, типичные для ионных решеток (NaCl, КС1 и др.), возникающие в результате передачи электронов от донора к акцептору; ковалентные связи, возникающие при обмене электронов (атомные решетки алмаза, графита); металлические связи, обусловленные обобществлением электронов в решетке металла; ван-дер-ваальсовы связи между молекулами в кристаллах органических соединений. Какова бы ни была природа этих сил, частицы (атомы или молекулы), расположенные внутри твердого тела, подвергаются действию одинаковых сил по всем направлениям и равнодействующая этих сил равна нулю. Частицы же, расположенные на поверхности, находятся под действием неуравновешенных сил, причем их равнодействующая направлена внутрь твердого тела и поверхность тела стремится к сокращению. Поэтому твердые тела, как и жидкие, имеют поверхностное натяжение, причем величина его у твердых тел больше, чем у жидких. В результате неуравновешенности сил у поверхности возникает силовое поле. Молекулы газа, ударяясь о поверхность, удерживаются некоторое время в этом силовом поле, что и приводит к явлению адсорбции.

Термодинамическое описание этого явления осуществляется через выражение свободной поверхностной энергии Гиббса G,

G=A*σ

где А - величина поверхности, а σ — поверхностное- натяжение.

Любой процесс, ведущий к уменьшению свободной поверхностной энергии, является самопроизвольным. Для капли жидкости это уменьшение достигается сокращением величины поверхности — она принимает сферическую форму. Для твердого тела - жесткой системы — сокращение А невозможно. Для него G уменьшается за счет поверхностного натяжения. Атомы или молекулы газа, абсорбируясь на поверхности, компенсируют некоторую часть неуравновешенных сил и тем самым уменьшают поверхностное натяжение. Итак, причина адсорбции - ненасышенность поверхностных атомов и молекул твердого тела — особое состояние, в котором находятся его частицы на поверхности по сравнению с их состоянием внутри объема фазы.