Адсорбция на границе жидкость-газ.

Адсорбцией называется изменение концентрации компонента в поверхностном слое, по сравнению с объемной фазой, отнесенное к единице площади поверхности.

Единица измерения: моль/см² или моль/м². Мы встречались уже с этой характеристикой поверхностного слоя в предыдущем разделе, говоря о методе избыточных величин:

Г_i – величина адсорбции компонента i, т.е. избыточное количество компонента i в поверхностном слое.

Изучение адсорбционных явлений мы начинаем с наиболее простых систем: это молекулярная адсорбция на границе раздела жидкость-газ. Затем мы перейдем к рассмотрению адсорбции на твердых адсорбентах, и рассмотрим адсорбцию на границах раздела т/г и т/ж. В конце этой темы мы рассмотрим адсорбцию ионов, т.е. адсорбцию из растворов электролитов на твердых поверхностях.

Такое разделение темы связано с рядом особенностей, присущих каждому типу систем. В то же время, наиболее общие закономерности, которые мы рассмотрим, присущи всем системам.

Адсорбция- это явление поверхностное. Поэтому она оказывает большое влияние на свойства коллоидных систем, обладающих большой поверхностью раздела фаз.

§1 Уравнение адсорбции Гиббса.

Рассмотрим границу раздела: газ-раствор этилового спирта в воде. Мы знаем, что поверхностное натяжение σ есть свободная поверхностная энергия единицы поверхности. Поэтому самопроизвольными будут являться такие процессы, которые снижают свободную поверхностную энергию, а следовательно и σ. σ спирта< σ воды, т.к. спирт менее полярная жидкость. Поэтому в водном растворе спирта будет происходить самопроизвольное концентрирование спирта из раствора на поверхности раздела жидкость-газ, что приводит к снижению σ. Возникающий градиент концентраций вызовет начало обратного процесса- диффузии. В результате установиться некоторое равновесное состояние, соответствующее минимуму энергии Гиббса этой системы.

Для многих растворов в состоянии равновесия Запишем для состояния равновесия поверхностного слоя известное нам уравнение Гиббса:

(6.1)

Проинтегрируем уравнение (6.1) при постоянных интенсивных параметрах Т, σ, μ:

(6.2)

Продифференцируем уравнение (6.2), считая все параметры переменными:

(6.3)

Вычтем из (6.3) уравнение (6.1):

(6.4)

Или при Т=const, разделив на s:

, т.е.

(6.5)

Уравнение (6.5) представляет собой адсорбционное уравнение Гиббса в общей форме для плоского межфазного слоя.

Для нашего случая, когда 1- растворитель (Н₂О), а 2- растворенное вещество (С₂Н₅ОН), т.е. система двухкомпонентная, и при условии, что адсорбируется только растворенное вещество (компонент 2):

, или (6.6)

Так как , (6.7)

, (6.8)

где а₂- активность растворенного вещества, то:

(6.9)

Уравнение (6.9) тоже называется уравнением Гиббса. Оно используется для вычисления адсорбции компонента из раствора на однородной плоской поверхности.

Для разбавленных растворов заменяют «а» на «с»- концентрацию:

(6.10)

Для адсорбции газов и паров на поверхности жидкости:

(6.11)