Лекция10.

это поглощение одного вещества поверхностью другого вещества.

Адсорбция – разновидность сорбции (процесса поглощения одного вещества другим).

Если вещество поглощает другое вещество объемом, то происходит абсорбция.

Адсорбция осуществляется вследствие наличия у поверхностных частиц избыточной поверхностной свободной энергии.

Происходит повышение концентрации поглощаемого вещества на границе раздела фаз – адсорбция.

Адсорбент - вещество, которое поглощает, адсорбирует.

Адсорбат–вещество, которое поглощается, адсорбируется.

Десорбция - процесс, обратный адсорбции.

Количественной характеристикой адсорбента является его удельная площадь поверхности S_0.

S₀ = S/ V, м²см^-3

S₀ = S/ m, м²г^-1

S – поверхность адсорбента, м²; V – объём, см³; m – масса, г.

Чем больше S₀, тем лучше адсорбционная способность адсорбента.

Большой S₀ обладают активированные угли, алюмосиликаты, силикагель (аморфный кремнезем) – вещества с развитой поверхностью.

S₀ активированного угля достигает 400 – 900 м² г ^-1

Количественной мерой адсорбции адсорбата является величина адсорбции Г - избыток адсорбированного вещества в поверхностном слое по сравнению с объемом.

[Г]=[моль/м²адсорбента]; [моль/см²адсорбента]; [моль/г адсорбента]

Так, при адсорбции газа на поверхности твердого тела:

Г = n/S =( С₀ - С ) ∙V∕ S, моль/м^2.,

где С₀-концентрация газа в объеме до адсорбции(моль/м³), С-концентрация газа в объеме после адсорбции(моль/м³),

V- объем сосуда ( м³), S - поверхность твердого тела ( м²).

Адсорбция

Физическая адсорбция происходит, когда

при взаимодействии адсорбата и адсорбента возникают вандерваальсовы взаимодействия; характерен невысокий тепловой эффект адсорбции(DН_адс = –(3-15) кДж/моль);

DН_адс - тепловой эффект адсорбции- это количество теплоты, в основном , выделяемое при поглощении 1 моля адсорбата поверхностью адсорбента.

Физическая адсорбция - обратимый процесс.

Cl₂ ↔ Cl_{2 адс.на С.} С ↑ Т десорбция возрастает.

Химическая адсорбция (хемосорбция) происходит, когда

при взаимодействии адсорбата и адсорбента возникают химические связи; характерен высокий тепловой эффект (DН_адс = D_rН _{хим реак}).

Химическая адсорбция - необратимый процесс.

CO₂ + Ca(OH)_2(Т)↔ CaCO_3(Т) + H₂O

Термодинамика адсорбции.

Адсорбция протекает самопроизвольно Þ DG_адс < 0.

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

В процессе адсорбции происходит упорядочение частиц Þ DS_адс < 0.

При некоторой температуре Т_р наступает равновесие: υ_адc = υ_дес DG_адс = 0 и Т_р = DН_адс/DS_адс.

Адсорбционное равновесие подвижно и подчиняется принципу Ле Шателье. Так: с↑ Т адсорбция ↓, десорбция ↑.

Изотерма адсорбции - это

зависимость величины адсорбции Г от равновесной концентрации C или равновесного парциального давления р адсорбата при постоянной температуре: Г = f (c), Г = f (p)

Наиболее часто используется уравнение изотермы адсорбции Лэнгмюра.

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

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

1- Q - свободная поверхность

Г_¥ – максимальная адсорбция при образовании монослоя;

υ_адc = k_адc (1- Q)р_А – при адсорбции газа А на свободной поверхности

υ_адс = k_адс (1- Q)с_А – при адсорбции адсорбата А из раствора

υ_дес = k_десQ - пропорциональна занятой поверхности

При равновесии υ_адс = υ_дес Þ k_адс(1- Q) р_А = k_десQ

k_адс(1- Q)с_А = k_десQ

К_а = k_адс/ k_дес =Q/(1- Q) р_А

К_а = k_адс/ k_дес =Q/(1- Q) с_А или

Q=K_а∙p_А /(1+K_а∙p_А)

Q=K_а∙c_А /(1+K_а∙c_А)

Заменяя Q = Г/Г_¥ получаем уравнение адсорбции Лэнгмюра :

Г=Г_∞∙ K_а∙ p_А /(1+K_а∙p_А)

Г=Г_∞∙ K_а∙ с_А /(1+K_а∙с_А)

с_А – равновесная концентрация адсорбата;

р_А – равновесное давление адсорбата;

К_а – константа адсорбционного равно­весия.

При малых концентрациях или парциальных давлениях адсорбция пропорциональна концентрации или парциальному давлению.

При высоких концентрациях или парциальных давлениях, достигается максимальное заполнение Г = Г_¥.

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

Уравнение Лэнгмюра в координатах 1/Г и 1/с- уравнение прямой.

y=a+bx (1/ K_a Г_∞ = tg a)

Уравнение адсорбции Ленгмюра хорошо описывает процессы адсорбции из газовой фазы.

Адсорбция из растворов осложняется тем, что адсорбируется не только растворенное вещество, но и сам растворитель и адсорбция зависит от соотношения сил взаимодействий частиц в растворе. Для описания процесса наиболее часто используют уравнение Лэнгмюра и другие уравнения, например, уравнение Фрейндлиха: a = K∙cⁿ ,

где а - количество адсорбированного вещества, с - равновесная концентрация, К и n - эмпирические константы для данного адсорбента и данной Т.