1.2. Адсорбция

1.2.1. Адсорбционные явления

Значительную группу поверхностных явлений составляют адсорбционные явления, при которых изменяется химический состав поверхностного слоя. Вследствие наличия поверхностной энергии на границе раздела фаз происходит накопление различных частиц.

Сорбция (от лат. sorbēо – поглощаю) представляет собой сложный физико-химический процесс, который можно рассматривать как сумму более простых процессов: адсорбции, абсорбции и капиллярной конденсации.

Адсорбция (от лат. ad – на, при) – изменение (обычно – повышение) концентрации вещества на поверхности раздела фаз (поглощение на поверхности).

Адсорбция – процесс, приводящий к аномально высокой концентрации вещества (адсорбата) из газообразной или жидкой среды на поверхности её раздела с жидкостью или твёрдым телом (адсорбентом).

Адсорбция возможна на границах раздела фаз: твёрдое тело – газ, твёрдое тело – жидкость – газ, твёрдое тело – жидкость – твёрдое тело.

Адсорбция осуществляется под действием нескомпенсированности сил межмолекулярного взаимодействия в поверхностном слое адсорбента, что вызывает притяжение молекул адсорбата из поверхностной области; адсорбция приводит к уменьшению поверхностной энергии.

Процесс, обратный адсорбции, называется десорбцией.

Адсорбция является разновидностью сорбции – поглощения одного вещества другим из окружающей среды. Если вещество поглощается всем объёмом другого вещества, то происходит абсорбция (от лат. absōrptiō – поглощение), если вещество концентрируется на поверхности, то имеет место адсорбция (рис. 7). Переход поглощаемого газа или пара в жидкое состояние в узких порах адсорбента называется капиллярной конденсацией.

Рис. 7. Распределение частиц между двумя фазами при абсорбции и адсорбции

Вещество, способное адсорбировать какое-либо вещество, а также тело, на поверхности которого происходит адсорбция, называют адсорбентом; вещество, которое адсорбируется, называют адсорбтивом или адсорбатом.

Адсорбенты характеризуются большой адсорбционной ёмкостью, то есть они представляют собой дисперсные тела с большой удельной поверхностью или с большим объёмом пор (пористые, губчатые, тонкоизмельчённые или высокодисперсные материалы). Химическая природа их поверхности обеспечивает эффективную адсорбцию определённых веществ в определённых условиях. Адсорбенты обладают химической и термической стойкостью, регенерируемостью и доступностью. Наибольшее распространение в качестве пористых адсорбентов получили активированные угли, гели некоторых оксидов (силикагели¹, алюмогели² и др.), цеолиты³; из непористых адсорбентов – технический углерод (сажа) и высокодисперсный диоксид кремния SiO₂ (аэросил, "белая сажа").

Количественной мерой адсорбции является избыток адсорбированного вещества (Г – величина адсорбции Гиббса), который равен разности его концентраций в поверхностном слое с₁ и в объёме адсорбента с₂:

Г = с₁ – с₂.

Единица адсорбции – моль/м² или моль/см².

Адсорбция газа на твёрдом теле измеряется количеством газа, адсорбированным единицей массы этого тела (моль/кг или моль/г).

Интенсивность адсорбции растёт с увеличением концентрации (или в случае газа – давления) адсорбтива.

В зависимости от характера взаимодействия адсорбата с адсорбентом различают физическую и химичес­кую адсорбцию.

Физическая адсорбция происходит за счёт ван-дер-ваальсовых сил (сил межмолекулярного взаимодействия) и характеризуется относительно невысоким тепловым эффектом [ = – (8-25) кДж/моль] и обрати-мостью. При такой адсорбции молекулы могут образовывать не только мономолекулярный слой, но и адсорбироваться многослойно, а также мигрировать по поверхности.

Химическая адсорбция, или хемосорбция, происходящая за счёт образования химических связей между частицами адсорбата и адсорбента, протекает необратимо и с высоким тепловым эффектом [ > 80 кДж/моль]. Чем прочнее связь между частицами адсорбата и адсорбента, тем больше теплота адсорбции (Q).

Между физической и химической адсорбцией существуют промежуточные типы адсорбции, обусловленные, например, образованием водородных связей.

Химическая адсорбция может сопровождаться поверхностными химическими реакциями с образованием поверхностного слоя нового вещества. Например, образование накипи на поверхностях водонагревателей или металлических (серебряных, алюминиевых) зеркал на поверхности стекла при восстановлении ионов металлов из растворов их солей.