АДСОРБЦИЯ

Адсорбция – самопроизвольный процесс увеличения концентрации вещества в поверхностном слое по сравнению с концентрацией в объеме фазы, приводящий к уменьшению поверхностной энергии системы. Если адсорбция происходит на поверхности твердого тела, то тело называют адсорбентом, а поглощенное вещество вне зависимости от агрегатного состояния адсорбента – адсорбатом, или адсорбтивом. Однако основные закономерности адсорбции являются общими для поверхности раздела любых соприкасающихся фаз.

Количественно адсорбцию i-го компонента в молях на квадратный метр определяют по выражению Г_i = , где - число молей адсорбата, перешедшее из объема фазы в поверхностный слой; S – площадь поверхности раздела фаз. Этот способ оценки адсорбции удобен, если поверхность раздела фаз легко измерить (например, в случае поверхности газ - жидкость). Для высокопористых твердых адсорбентов адсорбцию обычно обозначают m_i, измеряют в молях на килограмм или молях на грамм и относят к поверхности единицы их массы, т.е. m_i = , где g – масса адсорбента.

Возможны случаи не только положительной адсорбции, при которой > 0 и, следовательно, Г_i > 0 и m_i > 0, но и отрицательной адсорбции, называемой также десорбцией, когда происходит вытеснение определенных компонентов из поверхностного слоя в объем фазы, в результате чего < 0 и, следовательно, Г_i < 0 и m_i < 0.

Адсорбция растворенных веществ на поверхности раздела газ - жидкий раствор подчиняется уравнению изотермы адсорбции Гиббса, имеющему при T = const для относительно разбавленных растворов вид

Г = . (1.12)

В концентрированных растворах в этом уравнении вместо концентрации С используют активность.

Уравнение Гиббса позволяет разделить все вещества в растворе на две группы:

· поверхностно-активные (ПАВ), для которых < 0 и, как следует из уравнения (1.12), величина адсорбции положительна (Г > 0);

· поверхностно-инактивные, для которых > 0 и поэтому величина адсорбции отрицательна (Г < 0).

Молекулы ПАВ имеют гетерополярное строение, т.е. состоят из полярной функциональной группы (-COOH, , , , -OH и др.) и неполярного углеводородного радикала, длина которого определяется числом атомов углерода в радикале и его строением. Такие молекулы называются дифильными. Их неполярный углеводородный радикал обращен в сторону менее полярной фазы адсорбционного слоя, а полярная функциональная группа – в сторону более полярной фазы.

Адсорбционную способность веществ на поверхности газ – жидкий раствор количественно можно оценить по производной g = -при С ® 0, называемой поверхностной активностью, которую в честь Гиббса принято обозначать буквой g (не путать с массой). Графически эта величина определяется как тангенс угла наклона касательной к кривой зависимости s = f(C) в области концентраций, близких к нулю. При С ® 0 зависимость s = f(C) является линейной и в этом случае поверхностная активность не зависит от концентрации, поэтому ее можно определить, пользуясь уравнением g = -.

Другим фундаментальным уравнением адсорбции является уравнение изотермы адсорбции Ленгмюра

Г = Г_¥ , (1.13)

где Г_¥ - величина предельной адсорбции при плотной упаковке молекул адсорбата в пределах одного адсорбционного слоя на поверхности раздела фаз; К – константа равновесия адсорбции.

Предельная адсорбция

Г_¥ = , (1.14)

где S_m – площадь, занимаемая молекулой адсорбата в поверхностном слое ("посадочная площадка"); N_A – число Авогадро.

Хотя уравнение (1.14) было выведено Ленгмюром для адсорбции газа на поверхности твердого тела, оно справедливо также для любой поверхности раздела фаз при условии мономолекулярной толщины адсорбционного слоя. Если адсорбция происходит на поверхности твердых пористых адсорбентов, уравнение Ленгмюра может быть использовано в форме

m = m_¥ . (1.13а)

В случае адсорбции газов вместо равновесной концентрации С можно использовать равновесное парциальное давление газа. В любом случае размерность константы К должна быть обратной размерности концентрации или давления.

Зная мольную массу адсорбата М в граммах на моль, его плотность r в граммах на кубический сантиметр и площадь поперечного сечения молекулы S_m в квадратных метрах, можно вычислить длину молекулы ПАВ в метрах

. (1.15)

Из уравнения адсорбции Ленгмюра вытекают два важнейших следствия.

Следствие первое. При С ® 0, величина КС << 1 и зависимость Г = f(C) в этой области концентраций является линейной, т.е. Г = Г_¥КС. Произведение двух постоянных величин Г_¥К = К_Г называют константой Генри, а область концентраций, отвечающих линейной зависимости Г = f(C), - областью Генри.

Линейная зависимость Г = f(C) автоматически приводит к линейной же зависимости s = f(C), что дает следующее соотношение:

- = g = К_ГRT = aK, (1.16)

где a - постоянная величина для всех членов гомологического ряда ПАВ, a = Г_¥RT.

Следствие второе. При С ® ¥ величина КС >> 1 и Г ® Г_¥.

С учетом обоих следствий изотерма Ленгмюра имеет форму, изображенную на рис.1.5.

Рис.1.5. Изотерма адсорбции Ленгмюра на границе водный раствор ПАВ – газ (воздух)

По правилу Траубе, поверхностная активность g увеличивается в 3-3,5 раза (в среднем в 3,2 раза) при удлинении углеродной цепи радикала на одно звено (группу CH₂). Это же правило относится и к константе уравнения Ленгмюра, т.е.

 

. (1.17)

Применимость уравнения Ленгмюра и постоянные этого уравнения можно определить, приводя его к линейному виду одним из двух способов. Способ а

(1.18а)

или

. (1.18б)

Рис.1.6. Графическая проверка применимости уравнения изотермы адсорбции Ленгмюра и определение его постоянных способом а

В этом случае зависимости или являются линейными, что позволяет графическим путем определить соответствующие постоянные (рис.1.6).

Поскольку y = 1/m_¥, m_¥ = = 1/y, а так как tga = 1/m_¥K, то К = y/tga. В координатах 1/Г – 1/C, соответственно, Г_¥ = 1/y.

Способ б. Почленным делением концентрации С на левую и правую части уравнения Ленгмюра получим

(1.19а)

или

. (1.19б)

В этом случае зависимости или также являются линейными, что позволяет определить соответствующие постоянные графическим методом (рис.1.7). Поскольку tga = 1/m_¥, m_¥ = 1/tga, а так как y = 1/m_¥K, то К = 1/ym_¥ = tga/y. В координатах С/Г – С, соответственно, Г_¥ = 1/tga.

В ограниченном диапазоне концентраций для адсорбции твердыми пористыми адсорбентами применимо уравнение Фрейндлиха

m = bC^1/n , (1.20)

которое также может быть приведено к линейному виду путем логарифмирования:

lgm = lgb + (1/n)lgC, (1.20a)

где b и n – эмпирические постоянные.

Способ определения этих постоянных представлен на рис.1.8.

Сочетая уравнения Гиббса (1.12) и Ленгмюра (1.13), можно получить уравнение Шишковского

Ds = s₀ - s = aln(KC + 1), (1.21)

где s₀ и s - поверхностное натяжение соответственно чистого растворителя и раствора ПАВ.

Уравнение (1.21) автор предварительно получил экспериментально.

При адсорбции газов и паров на поверхности многих твердых адсорбентов образуется полимолекулярный адсорбционный слой. В этих случаях уравнения изотерм мономолекулярной адсорбции Фрейндлиха и Ленгмюра становятся неприемлемыми. Среди многочисленных теорий полимолекулярной адсорбции наиболее универсальной является теория БЭТ (Бренауэра, Эммета, Теллера), исходящая из предпосылок, близких теории Ленгмюра. Теория БЭТ дает следующее уравнение изотермы адсорбции:

, (1.22)

где p и p_S - соответственно равновесное давление газа и давление насыщенного газа в адсорбционном слое; K' – адсорбционная постоянная (безразмерная величина).

Уравнение (1.22) можно привести к виду

. (1.23)

В уравнении (1.23) зависимость

является линейной, что может быть использовано для определения соответствующих постоянных (рис.1.9). Зная площадь, занимаемую одной молекулой газа в адсорбционном слое S_m, можно рассчитать удельную поверхность адсорбента по формуле

Рис.1.9. Способ проверки справедливости теории полимолекулярной адсорбции БЭТ и определение постоянных соответствующего уравнения изотермы адсорбции

S = m_¥S_mN_a. (1.24)

Последнее выражение может быть использовано для любой теории адсорбции.