Поверхностные явления и адсорбция

Поверхностные явления — это процессы, происходящие на границах раздела фаз, составляющих физико-химические системы, и обусловленные особенностями состава и строения поверхностного слоя.

Поверхностная фаза образована частицами, находящимися на поверхности каждой фазы. Поверхностная энергия Gs - разность средней энергии частицы, находящейся на поверхности, и частицы, находящейся в объеме фазы, умноженная на число частиц на

Принцип минимума свободной энергии: в системах, обладающих избытком свободной энергии, могут самопроизвольно протекать процессы, понижающие запас энергии.

Пути уменьшения свободной энергии:

Если GS (σ) < 0 находящиеся на поверхности частицы взаимодействуют с частицами этой же фазы слабее, чем с частицами другой фазы (gS < gV).

Уменьшение поверхностной энергии возможно в результате уменьшения площади поверхности S. Уменьшение суммарной поверхности для коллоидных частиц проявляется

всамоукрупнении – коагуляции, для чистых жидкостей – в шарообразной форме капель.

Если GS (σ) > 0 находящиеся на поверхности частицы взаимодействуют с частицами этой же фазы сильнее, чем с частицами другой фазы (gS > gV).

Уменьшение поверхностной энергии возможно в результате уменьшения поверхностного натяжения σ. Поверхностное натяжение может быть уменьшено за счет притяжения к поверхности коллоидной частицы молекул, атомов или ионов из

окружающей среды.

Адсорбция – процесс самопроизвольного изменения концентрации какого-либо вещества у поверхности раздела двух фаз называется.

Адсорбент – вещество, на поверхности которого происходит адсорбция.

Адсорбтив или адсорбат –вещество, которое адсорбируется на поверхности.

В зависимости от природы адсорбционных сил выделяют:

Физическая адсорбция возникает за счет ван-дер-ваальсовых взаимодействий. Обратима, уменьшается и при повышении температуры.

Химическая адсорбция (хемосорбция) осуществляется путем химического взаимодействия молекул адсорбента и адсорбата. обычно необратима; локализована, т.е. молекулы адсорбата не могут перемещаться по поверхности адсорбента. Увеличивается при повышении температуры.

Адсорбция определяется природой поглощаемого вещества и поглотителя, ее величина зависит от температуры, давления поглощаемого газа, концентрации раствора, из которого осуществляется адсорбция.

Для количественного описания адсорбционных процессов применяю две величины:

•Полная адсорбция (А) – полное количество адсорбата в поверхностном слое, отнесенное к единице площади поверхности или массы адсорбента (моль/м2, моль/г). Может принимать только положительные значения.

•Гиббсовская (избыточная) адсорбция (Г) – избыточное количество адсорбата в поверхностном слое по сравнению с его концентрацией в объемной фазе, отнесенное к единицы площади поверхности или массы адсорбента (моль/м2, моль/г). Может быть как положительной, так и отрицательной.

Теория мономолекулярной адсорбции Лэнгмюра

Адсорбция является локализованной и вызывается силами, близкими к химическим.

Адсорбция происходит не на всей поверхности адсорбента, а на активных центрах (выступы либо впадины на поверхности адсорбента). Активные центры независимы и (один активный центр не влияет на адсорбционную способность других) и тождественны.

Каждый активный центр способен взаимодействовать только с одной молекулой адсорбата; в результате на поверхности может образоваться только один слой адсорбированных молекул.

Процесс адсорбции является обратимым и равновесным .

Типичная изотерма мономолекулярной адсорбции на твердой поверхности

А – адсорбция в состоянии адсорбционного равновесия; А∞ — величина предельной

(максимальной) адсорбции, постоянная для всего гомологического ряда адсорбатов; b — постоянная для данного вещества, численно равная равновесной концентрации адсорбата при адсорбции, равной половине предельной, моль/л; Сравн ─ равновесная

концентрация адсорбата в фазе над адсорбентом; р - давление газа в состоянии адсорбционного равновесия (Па).

Для адсорбции из растворов: Для адсорбции газов:

Отклонение от теории Ленгмюра является результатом неоднородной поверхности, которая характеризуется наличием неодинаковых адсорбционных центров обладающих различным сродством с адсорбируемым веществом. Если поверхность энергетически неоднородна, используют эмпирическое уравнение Френдлиха.

Уравнение Фрейндлиха

А – удельная величина адсорбции, моль/г; х – количество адсорбированного вещества, моль; m – масса адсорбента, г;

С – равновесная концентрация после адсорбции, моль/л; a, n – константы (аппроксимационные параметры).

Константа a –количество вещества, адсорбированное 1 г адсорбента при С = 1моль/л. Для каждого адсорбатива a имеет свое значение при одном и том же адсорбенте, т.е. она характеризует способность данного адсорбата адсорбироваться определенным адсорбентом/

Константа n всегда меньше 1