Граница раздела фаз газ-твердое тело

Внутри твердого тела, частицы, образующие его решетку правильно чередуются в соответствии с его кристаллической структурой, причем силы их взаимодействия уравновешены. Состояние частиц на поверхности твердого тела иное, вследствие чего поверхность твердого тела притягивает молекулы вещества из соседней газовой фазы. В результате концентрация этого вещества на поверхности становится больше, чем в объеме газа, т.е. газ адсорбируется поверхностью твердого тела.

Адсорбция- это явление концентрирования вещества на поверхности раздела фаз. Адсорбент - вещество, на поверхности которого происходит адсорбция. Адсорбат(адсорбтив) - это вещество, адсорбирующееся на поверхности адсорбента. Поверхность, приходящаяся на 1 г адсорбента, называется удельной поверхностью адсорбента (S_уд). Непористые тела имеют удельную поверхность от нескольких квадратных метров до сотен квадратных метров на грамм (пигменты, например, ТіО₂, наполнители: аэросил, сажи). Пористые тела имеют удельную поверхность до нескольких сотен и даже до тысячи квадратных метров на грамм (активированный уголь, силикагель, пористые кристаллы цеолитов).

Типы адсорбционных взаимодействий

Взаимодействие между частицами адсорбата и адсорбента может иметь различный характер, в зависимости от этого различают несколько видов адсорбции.

Физическая адсорбция обусловлена силами Ван-дер-Ваальса, возникающими между частицами адсорбата и адсорбента. Она обратима и уменьшается с ростом температуры.

Химическая адсорбция (хемосорбция) обусловлена химическими силами. Она необратима и увеличивается с ростом температуры (например, адсорбция кислорода на поверхности металла)

Адсорбция происходит на поверхности раздела газ/твердое тело, раствор/твердое тело, газ/жидкость, жидкость/жидкость.

Адсорбция бывает мономолекулярная (на поверхности раздела образуется слой адсорбата толщиной в одну молекулу) и полимолекулярная (на поверхности раздела образуется полимолекулярный слой адсорбата).

Изотермы адсорбции

Величина адсорбции Г выражается в моль/г адсорбента или в моль/1см² (м²) его поверхности.

Зависимость величины адсорбции Г от концентрации или давления адсорбата в газовой фазе при Т = const выражается уравнением изотермы адсорбции. Для получения простейших закономерностей используют однородные поверхности (например, сажу, прокаленную при 3000⁰С). Часто при адсорбции газов образуется мономолекулярный слой. При адсорбции на однородной поверхности концентрация адсорбата в любой точке поверхности постоянна. Рассмотрим несколько изотерм адсорбции.

1. Изотерма Генри

При малых давлениях (концентрациях) адсорбата величина адсорбции Г пропорциональна давлению или концентрации адсорбата:

Г = kРили Г = kС .

Это уравнение изотермы адсорбции Генри. Часто величину адсорбции характеризуют степенью заполнения поверхности данным адсорбатом Θ. Тогда уравнение Генри может быть выражено через Θ:

Θ = kPили Θ = kC ,

т. е. заполнение поверхности пропорционально давлению адсорбата в газовой фазе Р или его концентрации С в «области Генри», т. е. в области небольших Р или С.