15.3 Адсорбція пар на поверхні рідин
Адсорбція – це самочинний процес накопичення речовини на поверхні рідини. Адсорбція ПАР відбувається у поверхневому шарі рідини, який називають адсорбційним. Вивчення будови адсорбційних шарів показало, що вони складаються з одного ряду молекул, орієнтованих певним чином. У полярних розчинниках, таких як вода, функціональні групи розміщуються на поверхні розчину, а вуглеводневі радикали повернені в бік повітря. У неполярних розчинниках орієнтація молекул ПАР протилежна: радикали повернені в бік рідини, а функціональні групи – у бік повітря. Адсорбція ПАР на поверхні рідин розраховується за термодинамічним рівнянням Гіббса:
,
(15.2)
де Г – адсорбція, моль/м2; С – концентрація розчину ПАР, моль; R – універсальна газова стала; Т – температура, К; ds/dC – поверхнева активність.
Лекція №16 Адсорбційні процеси на твердій поверхні
План лекції
1. Теорія фізичної адсорбції Ленгмюра. Рівняння Фрейндліха. Хемосорбція.
2. Поверхневі явища. Адгезія і когезія. Розтікання рідин. Змочування. Рівняння Юнга.
3. Сорбенти. Класифікація сорбентів. Гідрофобні та гідрофільні сорбенти.
Рекомендована література: [1] С.358-391, [2] С.88-99, [3] С.110-118.
16.1 Теорія фізичної адсорбції Ленгмюра
Поверхня твердих тіл має надлишок поверхневої енергії за рахунок неврівноважених зв’язків у кристалічних ґратах, що дозволяє їм адсорбувати речовини з навколишнього середовища. Речовини, що здатні адсорбувати інші речовини, називають сорбентами. На величину адсорбції впливають природа і геометрія поверхні сорбенту. Вимірюють адсорбцію у моль/м2 або у моль/г.
У 1916 році І.Ленгмюр сформулював теорію фізичної адсорбції:
адсорбція молекул відбувається тільки на активних центрах сорбенту, як правило на виступах поверхні;
на кожному активному центрі адсорбується тільки одна молекула;
адсорбція відбувається за рахунок міжмолекулярних сил взаємодії;
процес адсорбції оборотний: молекули адсорбтиву періодично відриваються від поверхні сорбенту, а їх місце займають інші молекули;
взаємодія між сусідніми адсорбованими молекулами відсутня.
На основі цих положень Ленгмюр аналітично вивів рівняння, яке має вигляд:
,
(16.1)
де
Г¥
–
максимальна адсорбція, відповідає
моменту, коли на поверхні сорбенту
утворюється мономолекулярний шар
адсорбтиву; k
– стала
Ленгмюра. Залежність величини адсорбції
від концентрації розчину приведена на
рис. 16.1.
Рисунок 16.1 – Ізотерма адсорбції Ленгмюра
Теорія Ленгмюра не враховує можливість взаємодії між молекулами адсорбтиву. Пізніше була створена теорія БЕТ, яка врахувала цю взаємодію.
У випадках, коли сорбент являє собою порошок або пористе тіло, величину адсорбції звичайно визначають за емпіричним рівнянням Фрейндліха:
,
(16.2)
де Г – адсорбція; С – рівноважна молярна концентрація адсорбтиву у розчині; і n – емпіричні коефіцієнти, сталі для кожної пари адсорбтив-сорбент.
Якщо адсорбтив і матеріал сорбенту мають високу хімічну спорідненість, то стає можливою хімічна взаємодія між ними. Таке явище називають хемосорбцією.
Хемосорбція процес екзотермічний. специфічний і необоротний, який з підвищенням температури посилюється. При хемосорбції на поверхні сорбенту утворюються продукти хімічної реакції між адсорбтивом і сорбентом.