Адсорбция на границе раздела жидкость-газ

Самопроизвольное увеличение концентрации вещества на границе раздела фаз называется адсорбцией.

Адсорбция вещества обычно представляет собой обратимый процесс, который заканчивается установлением адсорбционного равновесия. При равновесии скорость адсорбции равна скорости обратного процесса - десорбции. График зависимости адсорбции от равновесной концентрации вещества при постоянной температуре называется изотермой адсорбции.

Количественно адсорбция характеризуется концентрацией растворенного вещества на поверхности раздела фаз. Она обозначается буквой Г (гамма) и измеряется в моль/м².

Адсорбцию вещества на границе раздела жидкость - газ можно вычислить по уравнению Гиббса:

gC C dσ

Г =  =   ·

RT RT dC

где Г - адсорбция растворенного вещества, измеряемая количеством моль этого вещества, приходящимся на единицу площади поверхности раздела фаз, моль/м²; С- равновесная молярная концентрация растворенного вещества, моль/л; g = dσ/dС - поверхностная активность растворенного вещества, т.е. понижение поверхностного натяжения, вызванное повышением концентрации растворенного вещества в поверхностном слое.

Для практических расчетов адсорбции используют уравнение Гиббса-Ребиндера, применимое в небольшом интервале концентраций:

C_ср σ₂ σ₁

Г =   ·

RT C₂ С₁

С₁ + С₂

где С_ср =  - средняя концентрация растворенного вещества в

2

исследуемом интервале, σ₁ и σ₂ - поверхностное натяжение растворов с концентрациями С₁ и С₂.

График типичной изотермы адсорбции показан на рис.14. При малых концентрациях адсорбция растет пропорционально концентрации, однако в дальнейшем увеличение адсорбции замедляется, и при определенных концентрациях она достигает максимальной величины, которая уже не изменяется при дальнейшем росте концентрации растворенного вещества.

Г

С

Рис.14. Типичная изотерма адсорбции.

Подобная зависимость объясняется образованием мономолекулярного слоя адсорбированного вещества на поверхности раздела. Постепенное накопление его в поверхностном слое при увеличении концентрации приводит к тому, что в определенный момент вся поверхность заполнена ориентированными молекулами растворенного ПАВ в виде монослоя; при дальнейшем росте концентрации вещества в объеме фазы оно уже не поступает на граничную поверхность. Представления об ориентации молекул ПАВ в насыщенном адсорбционном слое легли в основу современной теории строения биологических мембран.

Поверхностные явления на неподвижной границе раздела фаз

На поверхностях, разделяющих твердое вещество и газ или твердое вещество и жидкость, из-за наличия дополнительной энергии у поверхностного слоя кристаллической решетки также происходит увеличение концентрации частиц газа или жидкости.

На неподвижных границах раздела концентрация молекул жидкости или газа превышает их концентрацию в объеме фазы, т.е. наблюдается адсорбция. Вещество, которое удерживается поверхностью раздела фаз, называется адсорбатом или адсорбтивом, а твердое тело, на поверхности которого удерживается вещество - адсорбентом.

В качестве адсорбентов применяют обычно мелкоизмельченные или пористые тела с высокоразвитой поверхностью раздела фаз. Определить ее, однако, трудно, поэтому адсорбцию обычно относят не к поверхности, а к массе твердого адсорбента и измеряют в моль/г или ммоль/кг:

n

Г = 

m

где n - количество адсорбата, поглощенное поверхностью, моль или ммоль; m - масса адсорбента, г или кг.