2. Поверхнева енергія. Адсорбція.

Поверхнева енергія G в термодинаміці, надлишок енергії в тонкому шарі речовини в поверхні зіткнення тіл (фаз) в порівнянні з енергією речовини в середині тіла. Повна поверхнева енергія складається з роботи утворення поверхні, тобто роботи, необхідної для подолання сил міжмолекулярної (або міжатомної) взаємодії при переміщенні молекул (атомів) з об'єму фази в поверхневий шар, і теплового ефекту, пов'язаного з цим процесом. Поверхневі явища супроводжують будь-які гетерогенні процеси, котрі лежать в основі металургійної, коксохімічної, вогнетривної та інших галузей промисловості.

За своїми фізико-хімічними властивостями поверхня поділу, на якій відбуваються гетерогенні процеси, різко відрізняється від властивостей внутрішніх областей обох межуючих фаз. Поверхневі молекули мають надлишкову енергію, яку називають поверхневою енергією. Саме вона і є причиною появи на межі поділу особливих поверхневих явищ, до яких відносяться адсорбція, поверхневий натяг, змочування. Поверхневий натяг і поверхнева енергія мають зв'язок G = 6*S

G – поверхнева енергія.

6 – коефіцієнт поверхневого натягу (для води 7,3*10^-2 Н/м, або Дж/м²

S – площа поверхні тіла, або рідини.

Адсорбцію ми розглянемо на прикладі пропускання розчину барвника через дерев’яне вугілля.

Отже , помістимо в воронку з паперовим фільтром деревне вугілля, так само відомий нам як активоване вугілля, і через його шар профільтруємо водний розчин барвника, нехай це буде лакмус.

Ми бачимо знебарвлений фільтрат . Вугілля затримує молекули барвника в результаті такого процесу як адсорбція.

Чому ж ми спостерігаємо таке явище?

Атомні орбіталі усередині кристала атомного або ж іонного твердої речовини перекриваються і утворюють молекулярні . Завдяки електронам , розташованим на них , утворюється зв'язок між атомами або іонами. Однак кристали не нескінченні, їх поверхні обмежують їх. Також не всі АТ поверхневих атомів залучаються до МО кристала.

Поверхневі атоми можуть брати участь в утворенні хімічного зв'язку з молекулами інших речовин. Останні також здатні до взаємодії з поверхнею твердого тіла за таким же механізмом , за яким взаємодіють нейтральні молекули. Велика поверхня твердої речовини сприяє приміщенню на цій поверхні великого числа молекул інших речовин і адсорбції на ній . Адсорбцією називається процес приєднання молекул газоподібних або речовин, що знаходяться в розчині , до твердої поверхні.

Тверді речовини можуть виступати каталізаторами саме завдяки процесу адсорбції. Наприклад, на каталізаторі з оксиду ванадію (V) , який використовують для виробництва сірчаної кислоти, відбувається адсорбція кисню, при цьому слабшає зв'язок в молекулі O₂ і сірчистий газ окислюється при порівняно низькій температурі. Також в промисловому синтезі аміаку на залізному каталізаторі адсорбції піддається азот, і тому вступає в реакцію з воднем.

Адсорбція широко застосовується для очищення розчинів і газів від небажаних речовин. Яскравим прикладом є протигаз. За допомогою шару активованого вугілля з проходить через нього повітря поглинаються шкідливі речовини. Усім знайомі також фільтри для очищення води з активованим вугіллям або таблетки , які ми приймаємо при харчовому отруєнні .

Чим більше поверхня твердого тіла, тим більше його здатність до адсорбції. У цьому плані можна виділити вуглець.