3.1.1. Количественные способы выражения величины адсорбции

Количественно величину адсорбции выражают двумя способами:

1. Абсолютная адсорбция (А) – количество вещества (моль) в поверхностном слое, приходящееся на единицу площади поверхности или единицу массы адсорбента (моль/м², моль/г).

, (3.1)

где C_S – концентрация компонента в поверхностном слое, объемом V_s; s – площадь поверхности адсорбента; h_s – толщина поверхностного слоя адсорбента.

2. Гиббсовская (избыточная) адсорбция – избыточное число моль адсорбата в поверхностном слое (на единицу площади поверхности) по сравнению с тем числом моль, который бы находился в адсорбционном объеме в отсутствии адсорбции.

, (3.2)

где С_V – равновесная объемная концентрация адсорбата; s – площадь межфазной поверхности; C_s – концентрация компонента в поверхностном слое, объемом V_S; h_s – толщина поверхностного слоя адсорбента.

При больших избытках адсорбата в поверхностном слое (С_s>>C_V), равновесной концентрацией адсорбата в объеме фазы (C_V) можно пренебречь, величины А и Г приблизительно равны.

3.1.2. Классификации адсорбции

1. Классификация по природе границы раздела

По природе границы раздела различают адсорбцию на границе:

а) твердое тело – газ;

б) жидкость – газ;

в) твердое тело – жидкость (адсорбция из растворов).

2. Классификация по типу взаимодействия адсорбата и адсорбента

По типу взаимодействия адсорбата и адсорбента различают (табл. 3.1):

• физическую адсорбцию;

• хемосорбцию (химическое присоединение атома или молекулы к поверхности адсорбента);

• ионный обмен.

Таблица 3.1

Основные характеристики адсорбции

	Физическая адсорбция	Хемосорбция
Чем обусловлена	Физическими силами (силы Ван-дер-Ваальса и водородные связи)	Химическими силами между адсорбентом и адсорбатом
Стехиометрические соотношения	Отсутствуют	Существуют определенные стехиометрические соотношения
Теплота адсорбции	Мала, близка к теплоте испарения, составляет 0–40 кДж/моль	Велика, 40–400 кДж/моль
Температура	С повышением температуры уменьшается	Повышение температуры способствует процессу хемосорбции
Специфичность	Мало специфична, слабо зависит от природы адсорбента	Специфична, часто образуется поверхностное химическое соединение на поверхности адсорбента
Обратимость	Обратима, что адсорбируется, то и десорбируется	Часто необратима, вместо адсорбированного вещества часто десорбируется другое соединение
Скорость	Проходит быстро, с течением времени уменьшается	Чаще замедлена, что связано с прохождением энергетического барьера
Локализация	Не локализованная, молекулы адсорбата способны перемещаться по поверхности адсорбента	Локализованная, молекулы адсорбата связаны с адсорбентом за счет прочных химических связей

Хемосорбцию можно определить как процесс образования двумерного химического соединения, не идущий, в отличие от обычной химической реакции, в глубину объемной фазы. Например: хемосорбция кислорода на угле и графите (в результате окисления поверхностных атомов углерода образуются, в зависимости от условий, те или иные поверхностные оксиды, изображенные следующими формулами):

Прочная пленка оксида препятствует дальнейшему проникновению кислорода вглубь твердой фазы.

Ни один из этих критериев, взятый в отдельности, не может служить доказательством того, с каким типом адсорбции мы имеем дело, необходимо комплексное исследование.

Не существует четкой границы между физической адсорбцией и хемосорбцией. На практике обычно осуществляются промежуточные варианты: основная масса вещества связывается с адсорбентом слабо (физическая адсорбция), а небольшая часть прочно (хемосорбция).