Общие положения, классификация

Адсорбцией называется самопроизвольное изменение концентрации компонента в поверхностном слое по сравнению с его концентрацией в объеме фазы.

Более плотную фазу (определяющую форму поверхности) принято называть адсорбентом, вещество, молекулы которого могут адсорбироваться – адсорбтивом, уже адсорбированное вещество – адсорбатом. Процесс, обратный адсорбции, называют десорбцией.

КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АДСОРБЦИИ

Для количественного описания адсорбции применяют три величины.

1. Избыточная, или гиббсовская адсорбция (Г_i).

Это избыток i-го компонента в поверхностном слое по сравнению с его количеством в объеме фазы, приходящийся на единицу площади поверхности.

(2.9)

где и – молярная концентрация i-го компонента соответственно в поверхностном слое и в объеме фазы, V₃ – объем поверхностного слоя, который принято считать двухмерным и равным 1 см², S_1,2 – площадь поверхностного слоя.

Учитывая, что молярная концентрация, умноженная на объем, – это количество вещества,

, моль/дм² (2.10)

2. Абсолютная адсорбция.

В тех случаях, когда способность вещества к адсорбции резко выражена, и вследствие этого >> и >> адсорбцию характеризуют величиной А_i, называемой абсолютной адсорбцией.

, моль/дм² (2.11)

где – количество вещества в поверхностном слое

3. Удельная адсорбция.

В тех случаях, когда измерить площадь поверхности S_1,2 трудно, количество i-го компонента (или его массу ) относят к массе адсорбента m, используя величину удельной адсорбции :

моль/кг или кг/кг. (2.12)

Если адсорбтивом является газ, вместо его количества (моль) или массы (кг) применяют его объем, исходя из того, что при нормальных условиях (0°С, 1 атм) 1 моль любого газа занимает объем, равный 22,4 дм³. Тогда удельная адсорбция измеряется дм³/кг.

Если Г_i, А_i, > 0, адсорбцию называют положительной (в дальнейшем термином «адсорбция» будем называть именно положительную адсорбцию), если Г_i, А_i, < 0, то имеет место отрицательная адсорбция.

КЛАССИФИКАЦИЯ АДСОРБЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ

В зависимости от природы адсорбционных сил, адсорбция может быть физической и химической.

Физическая адсорбция обусловлена силами межмолекулярного взаимодействия.

Вы помните, что если молекулы полярны, возникают ориентационное, индукционное и дисперсионное взаимодействия. В случае неполярных молекул возможны только дисперсионные взаимодействия.

Особенности физической адсорбции:

1. Обратимость. Имеет место динамическое равновесие:

Сорбция Десорбция.

Десорбция обусловлена тепловым движением. Например, при адсорбции уксусной кислоты на угле на поверхности возникает адсорбционный комплекс:

С + СН3СООН С * СН3СООН
адсорбент	адсорбтив	комплекс

При десорбции комплекс разрушается и адсорбтив выделяется в химически неизменном виде.

2. Малая специфичность. На полярных адсорбентах адсорбируются полярные вещества, на неполярных – неполярные.

3. Незначительная теплота адсорбции (теплота, которая выделяется при адсорбции). Она составляет всего 8–40 кДж/моль, т. е. соизмерима с теплотой конденсации.

4. С повышением температуры адсорбция уменьшается: <0 и. так как увеличивается скорость десорбции.

Химическая адсорбция (хемосорбция) возникает в результате химической реакции между адсорбтивом и адсорбентом с образованием нового поверхностного соеди­нения. Процесс происходит только на поверхности адсорбента.

Особенности химической адсорбции:

1. Необратимость. При десорбции с поверхности уходит поверхностное соединение. Десорбция обусловлена какими–то внешними воздействиями.

Например, адсорбция кислорода на угле:

С + О2 С * СО2
адсорбент	адсорбтив	комплекс

При нагревании происходит десорбция:

С*О2 С + СО2
адсорбционный комплекс	новое химическое соединение

2. Специфичность. Адсорбция происходит, только если возможна химическая реакция.

3. Высокая теплота адсорбции, которая может достигать 800–1000 кДж/моль, т. е. сопоставима с тепловыми эффектами химических реакций.

4. Повышение температуры приводит к увеличению хемосорбции, так как увеличивается скорость химического взаимодействия.

В дальнейшем мы будем рассматривать только физическую адсорбцию и поэтому будем ее называть просто адсорбцией (рис. 2.2).

Рис.2.2. Классификация в зависимости от агрегатного состояния адсорбента и адсорбтива.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Особенностью дисперсных систем является наличие большой межфазной поверхности. Молекулы, находящиеся на поверхности раздела фаз, вследствие нескомпенсированности действующих на них сил, обладают повышенной энергией. Мерой поверхностной энергии является поверхностное натяжение ( ), равное термодинамически обратимой изотермической работе, которую необходимо затратить для увеличения площади межфазной поверхности на единицу. Чем сильнее различаются межмолекулярные взаимодействия в граничащих фазах, тем больше поверхностное натяжение.

Любые процессы протекают самопроизвольно, если они сопровождаются уменьшением свободной энергии. Уменьшение свободной поверхностной энергии возможно либо за счет уменьшения величины межфазной поверхности, либо за счет уменьшения поверхностного натяжения. Стремление частиц принять сферическую форму, процессы коагуляции и коалесценции характерны для индивидуальных веществ, поверхностное натяжение которых постоянно. В тех случаях, когда постоянна площадь межфазной поверхности, самопроизвольно происходят процессы адсорбции – накопления в поверхностном слое частиц, понижающих поверхностное натяжение. Различные виды адсорбции будут рассмотрены в следующих главах.

ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. В чем состоят характерные особенности дисперсных систем?

2. Какова причина возникновения избыточной поверхностной энергии?

3. Что называется поверхностным натяжением? От чего зависит величина ? В каких единицах она измеряется?

4. В чем заключаются причины самопроизвольных поверхностных явлений?

5. Какие поверхностные явления связаны с уменьшением величины межфазной поверхности?

6. Что называется адсорбцией? Чем она обусловлена?

7. Чем можно объяснить тот факт, что деревянную палочку диаметром 1 см сломать легко, а стальной стержень такого же диаметра – практически невозможно?

8. Найдите общую поверхность 1 кг сферических частиц угля, если средний диаметр частиц 7 * 10~² мм, а плотность угля – 1,8 * 10³ кг/м³.

9. Удельная поверхность силикагеля равна 8,3 * 10³ м²/кг. Рассчитайте средний диаметр частиц силикагеля, если его плотность равна 2,2 г/см³.

10.Поверхностное натяжение на границе ртуть-воздух равно 72,75 * 10^-3 Дж-м^-2. Чему равна избыточная поверхностная энергия капли ртути диаметром 1,2 мм?

Изучив главу 2, вы должны знать:

1. сущность поверхностного натяжения, почему оно возникает;

2. условия самопроизвольного протекания процессов в поверхностном слое;

3. сущность процесса адсорбции;

4. понятия «избыточная», «абсолютная» и «удельная» адсорбция;

5. особенности физической и химической адсорбции.

ГЛАВА 3

АДСОРБЦИЯ НА ГРАНИЦЕ «ЖИДКИЙ РАСТВОР-ГАЗ»

Этот вид адсорбции заключается в том, что растворенное в жидкости вещество концентрируется на поверхности жидкого раствора на границе с газом.

Особенности таких систем состоят в следующем:

1. поверхность жидкости однородна, а следовательно, равноценна для адсорбции;

2. молекулы адсорбтива (растворенного вещества) могут свободно передвигаться по поверхности жидкости под действием теплового движения, т. е. они не закреплены жестко с каким–то одним участком поверхности;

3. можно пренебречь силовым полем газовой фазы, так как силы взаимодействия в газе пренебрежимо малы.