4.7. Фізична адсорбція
Сорбційні сили та процеси.
Сорбція — це процес поглинання газів або пари твердими чи рідинними тілами. Природа сорбційних сил така ж, як і сил міжмолекулярної взаємодії. Адсорбція відбувається під дією некомпенсованої або міжатомної взаємодії в поверхневому шарі адсорбенту, який притягує молекули адсорбата із приповерхневої області. Адсорбція зменшує поверхневу енергію адсорбента і є початковою стадією процесу взаємодії між твердими речовинами та газом.
Розрізняють хімічну і фізичну адсорбції (взаємодію).
Фізична взаємодія визначається наступними ефектами :
1. Притягання між молекулою із постійним диполем та молекулою з індуційованим диполем (індукційний ефект);
2. Притягання між молекулами із постійними диполями (орієнтаційний ефект);
3. Притягання між молекулами із флюктуіруючим та індуцірованим диполем (дисперсійний ефект);
4. Відштовхування між ядрами молекул, що зближуються.
При хімічній взаємодії розрізняють слідуючи види зв’язків, які забезпечують притягання молекул: ковалентну, металічну, іону.
Рідина, яка поглинає газ, називається сорбентом (адсорбентом, абсорбентом). Рідина, що поглинається — сорбат (адсорбат, абсорбат).
У випадку фізичної адсорбції між частинкою і поверхнею діють слабкі дальньодіючі сили; енергія зв’язку мала: приблизно 0,1...0,5 еВ.
4.8. Хімічна адсорбція (хемосорбція)
Хімічна адсорбція (або хемосорбція) відповідає випадку утворення хімічного зв’язку між адсорбованою частинкою і матеріалом матриці. У цьому випадку переважають обмінні сили; енергія зв’язку таких часток велика: приблизно 1...2 еВ.
Хемосорбція грає велику роль в поверхневих процесах. Її необхідно враховувати при видалені газу в вакуумних системах, процесах напилення та при обробці електровакуумних приладів.
Від фізичної адсорбції хемосорбцію відрізняють великі енергії взаємодії.
На відміну від фізичної адсорбції, яка завжди зворотна відносно тиску в газовій фазі, хемосорбція, як правило, процес незворотній і для виділення поглиненої кількості газу потрібен нагрів до більш високих температур.
Для протікання хімічної адсорбції необхідна активація. З умовами активації зв’язана величина E, яка називається енергією активації реакції.
Енергія активації представляє собою той мінімум енергія, який повинні мати частинки для вступу в реакцію між собою.
4.10. Перехід від фізичної адсорбції до хімічної
При фізичній адсорбції адсорбований шар зв’язаний з поверхнею твердого тіла слабкими силами Ван-дер-Ваальса. При хімічній адсорбції (хемосорбції) адсорбований шар зв’язаний з поверхневими шарами силами хімічного зв’язку.
Фізична адсорбція реалізується миттєво, хімічна – повільно, так як зв’язана з енергією активації.
Фізична адсорбція – обернена, хімічна – не обернена.
При підвищенні температури фізична адсорбція перетворюється у хімічну адсорбцію. Схематично адсорбцію газу на поверхні твердого тіла при постійному тиску та переходу від фізичної адсорбції до хемосорбції можна представити згідно схеми (рис4.9), яка відображає залежність кількості адсорбованого газу на поверхні твердого тіла при постійному тиску від температури.
При низьких температурах ізобара 1 описує фізичну адсорбцію, при якій кількість газу із ростом температури зменшується. При подальшому збільшенні температури кількість адсорбованого газу збільшується по кривій 2, що відбувається внаслідок початку хемосорбції. Потім поверхня заповнюється адсорбатом і кількість поглиненого газу знову починає знижуватись (крива 3). Адсорбція в області 1 зворотна, а в області 2 незворотна, й при охолодженні процес переходе з області 3 у область 4.
Перехід від фізичної до хімічної адсорбції можна показати на основній схематичній діаграмі потенційної енергії системи, що розглядається (рис.4.10). Популярний опис процесів адсорбції – десорбції було запропоновано Леонардом- Джонсом.
Для здійснення хемосорбції на реальній поверхні потребується витрата енергії на активацію цієї поверхні.
Рис. 4.9. Зміна кількості адсорбованого шару при постійному тиску від температурі.
По мірі того, як молекула наближається до поверхні, вона зазнає спочатку дію фізичних сил притягання, які дійсні на великих відстанях, ніж сили хімічного зв’язку. Таким чином, зміна енергії молекули (атома) відповідає кривій f на рис. 4.10. Точка Мf на рис. 4.10 відповідає положенню стабільної рівноваги молекул з енергією фізичних зв’язків.
Рис. 4.10. Характер зміни потенційної енергії атому для фізичної та хімічної адсорбції в залежності від відстані r від атома до поверхні твердого тіла
Можливість хемосорбції визначається спроможністю молекул досягнути точки Р, в якій можливий перехід до хімічної адсорбції. Для цього молекула повинна подолати енергетичний бар’єр Еа. При цьому реалізується енергетичний активаційний процес.
Точка Мх відповідає положенню стабільної рівнодії атомів з енергією хімічного зв’язку. Таким чином, для переходу від фізичної до хімічної адсорбції, треба подолати енергію активації Еа, у цьому полягає акт активації.
Наступним етапом процесу поглинання є абсорбція, яка характеризується переходом хемосорбованих молекул газу у кристалічну гратку твердого тіла. Адсорбуються чи розчиняються легше всього хемосорбовані атоми, які знаходяться на мінімальній відстані від твердого тіла.
Таким чином, процес сорбції протікає в наступному порядку: фізична адсорбція, хемосорбція, абсорбція.
Рівноважний стан процесу абсорбції визначається розчинністю газів в твердих тілах. Сам процес розчинення газів здійснюється за рахунок дифузії, з якою також зв’язані дуже важливі процеси газовиділення та газопроникності. Конденсацію газу можна розглядати як часний випадок адсорбції речовини на самому собі.
Розділ 5. ЗМОЧУВАННЯ ТВЕРДИХ ТІЛ РІДИНОЮ