8 Адсорбция
Адсорбция – это самопроизвольное изменение концентрации вещества на поверхности раздела двух фаз в гетерогенной системе. Адсорбция наблюдается на границах раздела: газ – жидкость, жидкость – жидкость, газ – твердое тело и жидкость – твердое тело.
8.1 Общие свойства поверхностей
В гетерогеных системах, состоящих из двух и более фаз, большое значение имеют так называемые поверхностные явления. Они обусловлены тем, что любая поверхность раздела между фазами отличается по своим физико-химическим свойствам от внутренних частей обеих граничащих фаз. Молекула или ион, находясь в объеме, испытывают со всех сторон одинаковое воздействие от окружающих молекул или ионов. Поверхностные же молекулы или ионы имеют часть ненасыщенных, неиспользованных сил притяжения, вследствие чего на поверхности появляется некоторые запас свободной поверхностной энергии (G).
Если твердое вещество находится в компактной форме, то оно имеет небольшую поверхность и наличием поверхностной энергии можно пренебречь. Однако при его дроблении общая поверхность увеличивается. Например, площадь граней куба с длиной ребра в 1 см равна 6 см2. Если его разделить на кубики с длиной ребра 10–3 см, то общая площадь поверхности становится равной 6000 см2. Вместе с ней растет и запас свободной поверхностной энергии, которой уже нельзя пренебречь.
Для количественной
характеристики степени раздробленности
(степени
дисперсности)
вещества
введен параметр удельная
поверх-ность so,
которая представляет собой отношение
общей поверхности всех частиц S
к объему V
или к массе т
вещества,
подвергнутого
дроблению so
= S/V
или s
=S/m
В случае жидкостей
поверхностная энергия играет роль и
при малой удельной поверхности. Запас
свободной поверхностной энергии (G)
в жидкостях определяется величиной
поверхностного натяжения (
)
и площадью поверхности раздела фаз (S):
G = S.
В системах, обладающих запасом свободной энергии, самопроизвольно могут идти только такие процессы, которые сопровождаются уменьшением свободной энергии ( G<0). Одним из таких процессов, протекающих на границе раздела фаз, является адсорбция.
8.2 Особенности сорбционных процессов
Поглощение каким-либо веществом других веществ называется сорбцией. Процесс сорбции называется адсорбцией, если поглощение происходит только на поверхности. Адсорбент – вещество, на поверхности которого происходит изменение концентрации поглощаемого вещества. Адсорбат – это адсорбированное вещество, а адсорбтив – вещество, молекулы которого могут адсорбироваться.
В некоторых случаях поглощаемое вещество диффундирует вглубь поглотителя. Тогда сорбция называется абсорбцией. Например, при пропускании паров аммиака над водой молекулы NH3 проникают в объем воды, образуя раствор.
Сорбция может ограничиваться только взаимодействием за счет физических сил (ван-дер-ваальсовых сил) (раздел 1.1) или сопровождаться образованием водородных связей. Если в процессе сорбции за счет возникновения новых химических связей образуется новое вещество, то она называется хемосорбцией.
Адсорбционные процессы имеют ряд общих свойств. Например, все они характеризуются малой энергией активации (низким энергетическим барьером) и протекают с большой скоростью.
Процесс адсорбции обратим. Процесс, обратный адсорбции, называется десорбцией. При десорбции молекулы адсорбата в результате теплового движения выходят за пределы действия сил притяжения поверхностных атомов или молекул адсорбента и покидают его поверхность. При постоянной температуре очень быстро устанавливается динамическое равновесие между процессами адсорбции и десорбции, которое характеризуется равенством скоростей vадс.= vдес.
Адсорбционные процессы экзотермичны. Поэтому согласно принципу Ле-Шателье их выгодно проводить при более низких температурах. В случае физической адсорбции Надс. сравнительно небольшая величина, составляющая от 5 (для простых молекул) до 80 (для больших молекул) кДж/моль. Тепловые эффекты хемосорбции близки к тепловым эффектам химических реакций (50...200 кДж/моль).
Адсорбция носит избирательный характер. Например, в проти-вогазах активированный уголь хорошо адсорбирует хлор, но не поглощает угарный газ СО. Поэтому при тушении пожаров угольные противогазы не применяются.
На основе экспериментов установлено, что толщина адсорбционных слоев может быть равной диаметру одной молекулы (мономолекулярные), двух молекул (бимолекулярные) или нескольких молекул (полимолекулярные).