Definiții de bază și metode de clasificare a proceselor de adsorbție.
Adsorbția se referă la fenomene care apar ca urmare a reducerii spontane a energiei de suprafață.
Adsorbția este procesul de redistribuire spontană reversibilă sau ireversibilă a componentelor unui sistem eterogen între stratul de suprafață și volumul unei faze omogene.
În sistemele multicomponente, o componentă care este mai probabil să reducă tensiunea interfacială este preferabilă față de stratul de suprafață. În sistemele cu un singur component, formarea stratului de suprafață își modifică structura (o orientare definită a atomilor și a moleculelor, polarizarea), numită auto-adsorbție.
Faza mai densă pe care sunt localizate interacțiunile de adsorbție se numește adsorbant. Substanța redistribuită între volumul fazei omogene și stratul de suprafață este desemnată prin termenul "adsorbate".
Într-un număr de cazuri, procesul de adsorbție este reversibil. În acest caz, în anumite condiții, o parte din moleculele adsorbite ca urmare a fenomenelor moleculare-cinetice pot trece de la stratul de suprafață la volumul fazei. Procesul, inversul adsorbției, se numește desorbție.
Metode de clasificare a proceselor de adsorbție.
Clasificarea proceselor de adsorbție în starea agregată a fazelor de interacțiune. În funcție de starea agregată a fazelor adiacente, se disting următoarele tipuri de procese de adsorbție:
- adsorbția gazelor pe adsorbanți solizi;
- adsorbția substanțelor dizolvate la interfețele "solid-lichid" și "lichid-lichid";
- Adsorbția surfactanților la interfața "gaz-lichid".
Clasificarea proceselor de adsorbție prin mecanismul de interacțiune dintre adsorbant și adsorbant. Adsorbția poate fi considerată ca interacțiunea dintre moleculele adsorbate și centrele active ale adsorbantului. Următoarele tipuri de adsorbție sunt subdivizate în funcție de mecanismul interacțiunii lor:
1) adsorbția fizică (moleculară) - interacțiunea dintre molecule adsorbate și adsorbante se datorează forțelor van der Waals, legăturilor de hidrogen (fără reacții chimice);
2) adsorbție chimică (chemisorption) - atașarea moleculelor de adsorbat situsurile active ale adsorbantului este rezultatul reacțiilor chimice de diferite tipuri (cu excepția reacțiilor schimbătoare de ioni);
3) adsorbția schimbului de ioni (schimb de ioni) - redistribuirea substanței adsorbate între soluție și faza solidă (schimbător de ioni) prin mecanismul reacțiilor de schimb ionic.
Două cantități sunt utilizate pentru descrierea cantitativă a proceselor de adsorbție.
1) Absorbția absolută este cantitatea (mol) sau masa (kg) de adsorbat pe suprafață sau masa de adsorbant. Denumirea este A; Dimensiune: mol / m 2. mol / kg, kg / m 2. kg / kg.
2) Gibbs (exces) adsorbția - adsorbatul excesul de substanță în stratul de suprafață al o anumită grosime, comparativ cu valoarea sa în volum a fazei omogene pe unitatea de suprafață sau greutatea adsorbant. Notația este T; Dimensiune: mol / m 2. mol / kg.
Relația dintre adsorbția absolută și excesivă poate fi ilustrată folosind următoarea ecuație:
unde c este concentrația de echilibru a substanței în volumul fazei, mol / m 3;
h este grosimea stratului de suprafață, presupusă în mod condiționat ca fiind de 10-9 m.
În sistemele eterogene multicomponente, atunci când redistribuiți o componentă între volumul fazei omogene și stratul de suprafață, este valabilă ecuația pentru energia exterioară internă a suprafeței:
După reducerea tuturor termenilor ecuației la suprafața unitară a suprafeței interfazice, obținem:
unde G i = ni / s este excesul componentului i în stratul de suprafață, adică adsorbția Gibbs.
Pentru un sistem cu o singură componentă, ecuația (3.3) are forma:
unde Gs = Us - T * Ss este energia Gibbs a suprafeței sau lucrarea de creare a unei unități de suprafață;
m * F este compactarea substanței substanței adsorbite în stratul de suprafață.
Pornind de la ecuația (3.4), se poate concluziona că, în timpul funcționării de adsorbție pentru crearea interfeței constă în formarea suprafeței de lucru (obligațiuni ruptură coezive în faza în vrac a adsorbantului) și materialul de etanșare în stratul de suprafață.
Într-o stare de echilibru dinamic între adsorbant și adsorbant, schimbarea energiei Gibbs a unui sistem eterogen G = 0, termodinamica procesului de adsorbție este descrisă printr-o ecuație numită ecuația de adsorbție fundamentală Gibbs:
Această ecuație este universală, deoarece este valabilă pentru toate tipurile de procese de adsorbție
Cazuri particulare ale ecuației de adsorbție Gibbs.
1) Adsorbția de la soluții.
Pentru potențialul chimic al componentei i a sistemului, atunci când adsorbția continuă la interfețele "adsorbant lichid-solid" și "gaz lichid", sunt valabile următoarele ecuații:
unde mi 0 este potențialul chimic al componentei i a sistemului în condiții standard;
a i este activitatea componentei i a sistemului în condiții standard.
Procedând astfel, ecuația de adsorbție Gibbs are forma:
Pentru soluțiile non-electrolitice, luăm un i = c i. atunci:
C i = - c / R * T * (ds / dc) (3.9)
Pentru soluții de electroliți:
unde c ± este concentrația medie ionică a soluției;
n este coeficientul stoechiometric.
2) adsorbția substanțelor din faza gazoasă.
În conformitate cu ecuația lui Mendeleev-Klaiperon:
În acest sens, ecuația Gibbs pentru adsorbția gazelor pe adsorbanți solizi este scrisă în următoarea formă:
G i = -P / R * T * (ds / dP) (3.12)
În practică, aceasta permite ecuația de adsorbție Gibbs în funcție de suprafață, măsurătorile de tensiune la diferite valori ale concentrației de echilibru a presiunii lichidului sau gazului se calculează adsorbția substanțelor în stratul interfaciala, a cărui tensiune de suprafață este determinată.
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: