Адсорбция - поглощение одного вещества поверхностью другого вещества

Адсорбция – разновидность сорбции - поглощения одного вещества другим. Если вещество поглощает всем объемом, то происходит абсорбция

Адсорбция осуществляется вследствие наличия у поверхностных частиц избыточной поверхностной свободной энергии. Наличие неуравновешенной энергии у поверхностной частицы по сравнению с частицей в объеме приводит к накоплению тех или иных веществ на границе раздела фаз (тв-г, тв-ж, ж-г) т.е. происходит повышение концентрации вещества на границе раздела фаз - адсорбция

Адсорбент - вещество, которое поглощает, адсорбирует

Адсорбат – адсорбированное вещество, которое поглощается.

Десорбция - процесс, обратный адсорбции.

Количественная характеристика адсорбента – его удельная площадь поверхности S₀:

S₀ = S/ V, м²см^-3 S₀= S/ m, м²г^-1

(Чем больше S₀, тем лучше адсорбционная способность адсорбента (активированные угли, цеолиты, алюмосиликаты, силикагель (аморфный кремнезем – вещества с развитой поверхностью;S₀ активированного 400 – 900 м² г^-1)

Количественная мера адсорбции адсорбата - величина адсорбции Г - избыток адсорбированного вещества в поверхностном слое и в объеме (разность концентрациий вещества в поверхностном слое и в общем объеме): [Г]=[моль/м²]; [моль/см²адсорбента]; [моль/г адсорбента]

Адсорбция: физическая и химическая.

Физическая адсорбция

- при взаимодействии адсорбата и адсорбента возникают вандерваальсовы взаимодействия (физическая природа сил); невысокий тепловой эффект (DН₂₉₈ = –(8 – 20)кДж/моль); обратимый процесс - десорбция↑ с ростом Т (например, адсорбции газа активированным углем: СО_2,г  СО_2,адс ; Сl_2,г  Cl_2,адс ).

Химическая адсорбция (хемосорбция)

- при взаимодействии адсорбата и адсорбента возникают химические связи (химическая природа сил); тепловой эффект = DН химических реакций H_адс= – (10  120) кДж/моль; необратимый процесс, образуются новые химические соединения (пример: адсорбция углекислого газа поверхностью гидроксида кальция:

СО_2,г + Са(ОН)_2,к  СаСО_3,к + Н₂О_ж ).

Термодинамика адсорбции.

Адсорбция протекает самопроизвольно ÞDG_адс < 0.

При взаимодействии адсорбата с адсорбентом теплота выделяется Þ DН_адс < 0.

В процессе адсорбции происходит упорядочение адсорбированных частиц Þ DS_адс < 0.

При некоторой температуре Т_р наступает равновесие (скорость адсорбции = скорости десорбции υ_ад = υ_дес DG_адс = 0 и Т_р = DН_адс/DS_адс.)

С увеличением Т адсорбция ↓, десорбция ↑. При увеличении температуры константа равновесия процесса адсорбции уменьшается. Поэтому вещество можно адсорбировать при невысокой температуре и десорбировать – при более высокой температуре.

Изотерма адсорбции - зависимость адсорбции Г от равновесной концентрации с или равновесного парциального давления р адсорбата при постоянной температуре Г = f (c), Г = f (p).

Используются уравнения Лэнгмюра и Фрейндлиха.

Уравнение Лэнгмюра (предполагает, что поверхность адсорбента однородна и при максимальном заполнении образуется мономолекулярный слой).

Q = Г/Г_¥ - степень заполнения поверхности адсорбата адсорбатом.

1- Q - свободная поверхность

Г_¥ – максимальная адсорбция (при образовании монослоя);

υ_ад = k_ад(1-Q)р_А – для адсорбции газа на свободной поверхности и υ_ад = k_ад(1-Q)с_А – для адсорбции адсорбата из раствора

υ_дес = k_десQ - пропорционально занятой поверхности

При равновесии υ_ад = υ_дес Þ k_ад(1- Q) р_А = k_десQ К_а = k_ад/ k_дес =Q/(1- Q) р_А или К_а = k_ад/ k_дес =Q/(1- Q) с_А

или

Уравнение адсорбции Лэнгмюра:

с _А – равновесная концентрация адсорбата и р_А – равновесное давление адсорбата;

К_а – константа адсорбционного равно­весия.

При малых концентрациях и парциальных давлениях адсорбция пропорциональна концентрации или парциальному давлению. При высоких концентрациях, когда К_ас >> 1, достигается максимальное заполнение Г = Г_¥.

Характеристики адсорбента Г_¥ и К_а находят графически по экспериментальным данным.

Уравнение Лэнгмюра в координатах обратной адсорбции 1/Г и обратной концентрации 1/с

На оси ординат отсекается отрезок, равный 1/Г_¥, а tga = 1/(К_аГ_¥).

Изотерма Лэнгмюра в двух формах:

Фрейндлих предложил эмпирическое уравнение изотермы Г = К_фрⁿ, где К_ф и n – постоянные.

Уравнение Фрейндлиха соблюдается при адсорбции некоторых веществ в области средних заполнений (Q = 0,2 ¸ 0,8).