Основные теории адсорбции на твердых адсорбентах - раздел Электротехника, ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ: ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА И КЛАССИФИКАЦИЯ. Поверхностные явления. Адсорбция. Электрические свойства дисперсных систем. Электрокинетические явления. Устойчивость и нарушение устойчивости лиофобных золей Все Теории Разработаны Для Адсорбции Газов И Паров Твердыми Телами, Поскольку...
Все теории разработаны для адсорбции газов и паров твердыми телами, поскольку система твердое тело-газ состоит всего из двух компонентов и поэтому удобна для теоретического рассмотрения явления адсорбции.
В 1915 году Ленгмюром и Поляни одновременно и независимо были созданы две совершенно различные теории адсорбции газов на твердом теле.
Основные положения теории мономолекулярной адсорбции Ленгмюра.
При разработке теории мономолекулярной адсорбции газа на твердом адсорбенте Ленгмюр исходил из следующих допущений.
1. Адсорбция происходит не на всей свободной поверхности адсорбента, а на активных центрах, характеризующихся максимальной свободной энергией (при адсорбции на границе жидкость-газ все активные центры в энергетическом отношении одинаковы) (рис. 16).
2. Адсорбция локализована на отдельных адсорбционных центрах (молекулы не перемещаются по поверхности).
3. Вследствие малого радиуса действия адсорбционных сил каждый активный центр, адсорбируя молекулу адсорбата, ста-
новится уже неспособным к дальнейшей адсорбции (молекулы, ударяющиеся об адсорбированные молекулы, отражаются без задержки).
4. Взаимодействием между молекулами адсорбата можно пренебречь.
5. В системе устанавливается динамическое равновесие, т.е. скорость адсорбции равна скорости десорбции.
Уравнение Ленгмюра для описания адсорбции газа твердой поверхностью
.
Уравнение Ленгмюра можно использовать только при отсутствии адсорбции сверх мономолекулярного слоя.
| Рис. 17. s-образная изотерма адсорбции
| |
При широком исследовании изотерм адсорбции на различных адсорбентах, особенно при адсорбции паров, установлено, что наиболее общим типом яляются не ленгмюровские изотермы, а так называемые s-образные изотермы (рис. 17), в которых адсорбция не останавливается на образовании монослоя, а продолжается до образования полимолекулярно-го слоя.
В связи с необходимостью объяснения характера таких изотерм возникла потребность в других теориях.
Основные положения теории полимолекулярной адсорбции Поляни.
1. Адсорбция обусловлена только физическими силами.
2. На поверхности адсорбента нет активных центров, а адсорбционные силы исходят от всей поверхности адсорбента и образуют около нее непрерывное силовое поле.
| Рис. 18. Схема полимолекулярной
адсорбции по теории Поляни
| |
3. Адсорбционные силы действуют на достаточно больших расстояниях, превышающих размеры отдельных молекул адсорбтива, и поэтому можно говорить о существовании у поверхности адсорбента адсорбционного объема, который заполняется молекулами адсорбтива (рис. 18).
4. Действие адсорбционных сил по мере удаления от поверхности уменьшается и на некотором расстоянии становится равным нулю.
5. Под воздействием адсорбционного поля возникает возможность образования нескольких слоев молекул адсорбата. Наибольшее притяжение и сжатие испытывает первый адсорбционный слой; газообразные продукты в нем конденсируются в жидкость.
6. Притяжение данной молекулы поверхностью адсорбента не зависит от наличия в адсорбционном пространстве других молекул.
7. Адсорбционные силы не зависят от температуры и, следовательно, с изменением температуры адсорбционный объем не изменяется.
Теория полимолекулярной адсорбции Поляни позволяет описать адсорбцию на пористых адсорбентах и качественно объяснить характер
s-образной изотермы. Главный недостаток теории Поляни – отсутствие аналитического выражения изотермы адсорбции.
Основные положения теории полимолекулярной адсорбции БЭТ.
Брунауэр, Эммет и Теллер разработали теорию применительно к адсорбции паров. Эта теория получила название теории БЭТ по первым буквам фамилий авторов.
1. Адсорбция осуществляется под действием сил Ван-дер-Ваальса.
2. Нескомпенсированная поверхностная энергия неравномерно распределена по поверхности адсорбента. На поверхности имеются активные центры с большой концентрацией энергии.
3. Все активные центры поверхности занимают частицы адсорбата, образуя первый слой. Каждая молекула первого слоя представляет собой активный центр для дальнейшей адсорбции, что приводит к образованию второго, третьего и т. д. слоев. При этом построение последующих слоев возможно при незаполненном первом (рис. 19).
4. Взаимодействием соседних адсорбированных молекул в рамках одного слоя пренебрегают;
5. Существует динамическое равновесие адсорбция « десорбция.
Теория БЭТ объясняет s-образную изотерму адсорбции.
Кроме того, было получено уравнение, описывающее изотерму адсорбции, названное уравнением полимолекулярной адсорбции БЭТ:
,
где рs– давление насыщенного пара при данной температуре; р/рs– относительное давление пара;
,
kр – константа адсорбционного равновесия для первого слоя; kL – константа конденсации пара.
При малых относительных давлениях (р/рs << 1 и p << ps) уравнение БЭТ превращается в уравнение мономолекулярной адсорбции Ленгмюра.
Все темы данного раздела:
Сплошной среды и дисперсной фазы
Все дисперсные системы образуют две большие группы – лиофильные и лиофобные.
Лио – жидкость, филио – любить, фобио – отторгать.
1) лиофильные (гидрофильные) системы характе
Поверхностно-активные вещества
Вещества, которые при растворении снижают поверхностное натяжение растворителя, называются поверхностно-активными веществами (ПАВ). Вещества, не изменяющие поверхностное натяжение растворите
Фундаментальное адсорбционное уравнение Гиббса
Уравнение Гиббса связывает величину адсорбции со способностью растворенного вещества изменять поверхностное натяжение. Выводится из объединенного уравнения I и II законов термодинамики для внутренн
Уравнение мономолекулярной адсорбции Ленгмюра
Экспериментально были получены изотермы адсорбции различных ПАВ. Все они имели одинаковую форму – имелся горизонтальный участок (рис. 11). Для веществ одного гомологического ряда все изотермы в пре
Особенности адсорбции на твердом адсорбенте
Адсорбция происходит на межфазной поверхности газ-твердое тело, жидкость-твердое тело.
В отличие от жидкой твердая поверхность энер
Требования, предъявляемые к адсорбентам
В качестве адсорбентов наиболее часто применяют углеродные сорбенты (древесный или костный уголь, графитированная термическая сажа ГТС), бентонитовые глины, силикагель, цеолиты и др.
Уг
Уравнение Фрейндлиха
На практике часто для аналитического описания зависимости адсорбции на твердом адсорбенте от концентрации адсорбтива применяется эмпирическое уравнение Фрейндлиха:
Капиллярная конденсация
При давлении, равном давлению насыщенного пара рs, начинается капиллярная конденсация.
Процесс сорбции пар
Ионная адсорбция из растворов
Ионная адсорбция — адсорбция из растворов сильных электролитов. В этом случае растворенное вещество адсорбируется в виде ионов.
Ионная адсорбция является более сложным процессом по сравнен
Ионообменная адсорбция
Ионообменная адсорбция — это процесс, при котором твердый адсорбент обменивает свои ионы на ионы того же знака из жидкого раствора.
Твердый адсорбент, практически нерастворим
Адгезия и смачивание
Адгезия (прилипание, сцепление, слипание) – поверхностное явление, заключающееся во взаимодействии частиц поверхностных слоев двух конденсированных фаз.
Возможны три случая адгезии:
Двойного электрического слоя
Существует несколько теорий строения ДЭС, наиболее значительные из них
– теория Гельмгольца-Перрена (1879 г.);
– теория Гуи-Чепмена (1910-1913 г.г.);
– терия Штерна (1924
Строение мицеллы гидрофобного золя
Дисперсная фаза и прилегающий двойной электрический слой составляют мицеллу гидрофобного золя(micella – уменьшительное от лат. mica – крошка, крупица).
Основу мицеллы составляет
Влияние электролитов
По характеру воздействия на потенциал ядра (j0-потенциал) электролиты подразделяют на индифферентные и неиндифферентные.
Индифферентные (безразличные) электролиты не имею
Влияние индифферентных электролитов.
При добавлении к золю индифферентных электролитов потенциал ядра j0 не изменяется, следовательно, общее число противоионов, необходимых для его компенсации, останется прежним, но изменит
Влияние неиндифферентных электролитов.
При введении в золь неиндифферентных электролитов возможны два случая.
1 случай – в золь вводится электролит, содержащий потенциалопределяющий ион (неиндифферентный ион). Второй ион в элек
Электрофорез
Электрофорез – направленное движение частиц дисперсной фазы относительно дисперсионной среды под действием внешнего электрического поля.
При наложении внешнего электрического поля п
Применение электрофореза.
1. Метод электрофореза широко используется для определения z-потенциала. Для этого измеряют электрофоретическую скорость при известной напряженности электрического поля.
Потенциал седиментации
Потенциал седиментации – возникновение разности потенциалов при движении (седиментации) частиц в неподвижной жидкости.
Рассмотрим коллоидную систему, находящуюся в емкости (например
Электроосмос
Электроосмос – движение дисперсионной среды через неподвижную капиллярно-пористую перегородку под действием внешнего электрического п
Потенциал течения
Потенциал течения (протекания) – это явление возникновения разности потенциалов при перемещении дисперсионной среды через капиллярно-
Лиофобных золей
Дисперсные системы характеризуются значительным избытком свободной нескомпенсированной поверхностной энергии
Gпов = sS,
связанным как с большой удельной п
Седиментационная устойчивость
Седиментационная устойчивость – это способность системы противодействовать оседанию частиц (силе тяжести).
Противодействие силе тяжести зависит от размеров частиц. Для крупных (сред
Теория устойчивости гидрофобных золей ДЛФО
Современная теория устойчивости развита российскими учеными Дерягиным и Ландау и голландскими учеными Фервеем и Овербеком и известна в литературе как теория ДЛФО.
В основе теории ДЛФО лежи
Коллоидных систем
1. Адсорбционно-ионный фактор.
Обусловлен наличием на поверхности частиц двойного электрического слоя и z-потенциала. Чем больше силы отталкивания, тем выше потенциальный барьер, и тем бол
Коагуляция гидрофобных дисперсных систем
Коагуляция – процесс слипания частиц дисперсной фазы с образованием крупных агрегатов.
Коагуляция является следствием нарушения агрегативной устойчивости лиофобных золей. В результа
Концентрационная коагуляция
Концентрационная коагуляция происходит под действием индифферентного электролита, при этом потеря устойчивости вызывается сжатием диффузной части ДЭС при неизменном потенциале ядра (рис. 41)
Нейтрализационная коагуляция
Нейтрализационная коагуляция происходит при добавлении к золю неидифферентного электролита. При этом потенциалобразующие ионы связываются в малорастворимое соединение, что приводит к уменьше
Явление неправильных рядов
Наблюдается при коагуляции золей электролитами, вызывающих нейтрализацию заряда ядра и перезарядку золя. Данное явление заключается в том, что при добавлении таких электролитов золь сначала остаетс
Кинетика коагуляции
Для начала коагуляции необходимо, чтобы частицы преодолели энергетический барьер ΔUк и попали в первый минимум. Для этого необходимо уменьшить силы отталкивания, т.е. снизить
Теория быстрой коагуляции Смолуховского
Основные положения:
1. Частицы монодисперсны и имеют сферическую форму.
2. Частицы дисперсной фазы имеют коллоидные размеры и перемещаются за счет броуновского движения.
Константа скорости быстрой коагуляции
1. Теоретическое определение константы скорости быстрой коагуляции.
Скорость быстрой коагуляции определяется только диффузионной стадией.
Константа скорости медленной коагуляции
При медленной коагуляции силы отталкивания еще присутствуют, т.е. 0 < ς < 30 мВ. Чтобы частицы попали в первый минимум (I min), они должны преодолеть потенциальный барьер ΔU
Рассеяние света
Рассеяние света является характерным свойством коллоидных растворов, отличающим их от истинных.
При пропускании светового луча через прозрачную коллоидную систему, то при наблюдении освеща
Теория светорассеяния Рэлея
Перед рассмотрением основных положений теории Рэлея необходимо вспомнить, что собой представляет световая волна и за счет чего происходит рассеяние света.
Световая волна представляет собой
Поглощение света и окраска золей
Многие коллоидные растворы имеют окраску, что указывает на поглощение ими света. Поглощение света – ослабление светового потока при прохождении его сквозь среду.
Для истинных растворов пог
Оптические методы исследования коллоидных растворов
На явлении рассеяния света коллоидными частицами основан ряд важнейших методов их исследования.
Ультрамикроскопия.
При использовании видимого света обычный микроскоп позво
Броуновское движение
Броуновским движением называют хаотическое равновероятное для всех направлений движение мелких частиц, взвешенных в жидкости или газе за счет воздействия молекул дисперсионной среды.
Диффузия
Диффузия – самопроизвольное распространение вещества из области с большей концентрацией в область с меньшей концентрацией.
В случае коллоидных растворов идет диффузия частиц дисперс
Особенности строения полимеров
В макромолекулах ВМС имеется два типа связей:
– химические связи, соединяющие атомы в полимерной цепи, очень прочные;
– межмолекулярные связи, возникающие за счет сил Ван-дер-Ваал
Набухание ВМС
При контакте полимера с растворителями происходит его набухание.
Набухание – это самопроизвольный процесс поглощения низкомолекулярного растворителя высокомолекулярным веществом, со
Термодинамика набухания
Процесс набухания идёт самопроизвольно, т.е при р, Т = const
ΔG < 0,
ΔG = ΔH – TΔS. (7.1)
На перво
Факторы, влияющие на набухание
1. Природа ВМС и растворителя (неполярные полимеры хорошо набухают и растворяются в неполярных растворителях, полярные – в полярных).
2. Время жизни ВМС: чем старше полимер, тем хуже он на
Свойства растворов ВМС
Растворение ВМС является самопроизвольным процессом и приводит к уменьшению свободной энергии системы. Поэтому растворы ВМС являются термодинамически устойчивыми и не требуют присутствия стабилизат
Коллоидные ПАВ. Мицеллообразование в растворах ПАВ
Коллоидными ПАВ называют поверхностно-активные вещества, способные в растворах образовывать мицеллы, т.е. ассоциаты, состоящие из большого количества молекул ПАВ (от 20 до 100).
Способност
Применение коллоидных ПАВ
1. Пищевая промышленность.
Коллоидные ПАВ применяют в хлебопекарной, макаронной и кондитерской промышленности. Это позволяет улучшить качество продуктов, увеличить срок хранения за счет уд
Устойчивость пен
Пены, как и другие дисперсные системы, термодинамически неустойчивы. Их образование сопровождается повышением свободной энергии. Избыточная энергия вызывает самопроизвольные процессы, которые ведут
Методы разрушения пен
Некоторые технологические процессы, особенно в химической, текстильной и пищевой промышленности, сопровождаются нежелательным пенообразованием. В ряде случаев образование пены может вызвать серьезн
Практическое применение пен
Пенообразование используют во многих отраслях народного хозяйства – в производстве строительных и теплоизоляционных материалов (пенобетон, пеностекло), пластичных масс (пенопласты), при обогащении
Золи и суспензии
Золи и суспензии, а также их производные – гели и пасты – являются разновидностью одного и того же типа дисперсных систем – Т/Ж, которые различаются размерами и концентрацией дисперсной фазы. Наряд
Основные свойства и устойчивость порошков
К основным технологическим свойствам порошков относят:
1) сыпучесть;
2) слеживаемость в процессе хранения, комкование порошков (аутогезия);
3) уплотняемость – изменение о
Практическое применение порошков
Порошкообразные материалы находят широкое применение в промышленности. В любой отрасли промышленности в той или иной степени используются многочисленные порошкообразные материалы: строительные мате
Типы структур в дисперсных системах
Формирование структур в дисперсных системах с жидкой дисперсионной средой связано с нарушением агрегативной устойчивости. При этом возможно образование структур двух типов. Для структур первого тип
Студни и студнеобразование
Структурированию растворов ВМС способствует анизометричность макромолекул и наличие в полимерных цепочках чередующихся полярных и неполярных фрагментов. В растворах полимеров возможно образование к
Новости и инфо для студентов