3.2 Поверхневі явища на межі тверде тіло – газ, тверде тіло – рідина, рідина – газ, рідина – рідина, тверде тіло – рідина, тверде тіло – тверде тіло

План

3.2.1 Кількісна характеристика адсорбції. Величини адсорбції

3.2.2 Рівняння стану адсорбції

3.2.3 Теплота адсорбції

3.2.4 Залежність адсорбції від температури та природи газу

3.2.5 Фізична адсорбція парів і газів на твердій гладкій поверхні

3.2.6 Теорія адсорбції і рівняння Ленгмюра

3.2.7 Ізотерма адсорбції Фрейндліха

3.2.8 Рівняння БЕТ (Брунауера, Еммета, Теллера)

3.2.9 Швидкість адсорбції

3.2.10 Хімічна адсорбція на твердій гладкій і пористій поверхні

3.2.11 Капілярна конденсація

3.2.1 Кількісна характеристика адсорбції. Величини адсорбції

Кількісно адсорбція може бути виражена:

1) величиною , яка являє собою масу адсорбата, що знаходиться в об’ємі адсорбційного шару, який відповідає одиниці маси адсорбента. Цю величину вимірюють в моль/г або кмоль/кг.

2) величиною , яка показує кількість адсорбованої речовини, що припадає на одиницю поверхні адсорбента, що є нічим іншим, як поверхневою концентрацією адсорбата. Одиницею вимірювання є моль/м².

3) введеною Гіббсом величиною , яка являє собою надлишок кількості речовини адсорбата в поверхневому шарі розчину площею 1 м² у порівнянні з кількістю речовини в об’ємі розчину, якщо в міжфазній межі не відбувалося змін концентрації адсорбата. Одиницею вимірювання є моль/м².

При малих концентраціях адсорбата адсорбція Гіббса близька до адсорбції . При великих концентраціях вони відрізняються між собою.

3.2.2 Рівняння стану адсорбції

Адсорбцію можна характеризувати:

1) залежністю кількості адсорбованої речовини від температури при сталих рівноважних тиску або концентрації .

Графіки при називаються ізобарами адсорбції, а при – ізопікнами адсорбції.

2) залежністю рівноважного тиску або концентрації від температури при сталій кількості адсорбата.

Графіки і при називаються ізостерами адсорбції.

3) залежністю кількості адсорбованої речовини від рівноважного тиску або концентрації при сталій температурі.

Графіки і при називаються ізотермами адсорбції.

Забезпечувати сталість температури безумовно простіше, тому найпоширенішою залежністю, яка одержується експериментально, є ізотерма. Дві інші залежності можна графічно побудувати із серії ізотерм при різних температурах.

Ізотерма, ізопікна та ізостера зв’язані між собою математично. Із рівняння випливає, що повний диференціал від величини може бути виражений через частинні похідні:

.

Якщо прийняти сталою величину , то і рівняння набуде вигляду

.

Поділивши почленно на , одержимо

.

Перемноживши обидві частини останнього рівняння на , одержимо

.

Це добре відоме із математики співвідношення широко застосовується в термодинаміці. В даному випадку частинні похідні являють собою ізотерму, ізостеру та ізопікну відповідно, а останнє рівняння виражає диференціальне співвідношення між ними. Воно дає змогу знайти будь-яку з них, якщо відомі дві інші. Можна визначити знаки цих похідних. Похідна завжди додатна. Це пояснюється тим, що хімічний потенціал і відповідно концентрація (активність) адсорбата у випадку рівноваги вирівнюються по всій системі. Звідси випливає, що із збільшенням концентрації або тиску адсорбтиву в об’ємі зростає його концентрація в поверхневому шарі, тобто величина адсорбції . Таким чином, дві інші частинні похідні мають різні знаки.

Рівняння стану адсорбційної системи можна записати і відносно поверхневого натягу:

.

Тоді диференціальне рівняння буде мати вигляд

.

Звідси бачимо, що існує чіткий зв’язок між величиною адсорбції і поверхневим натягом.