Адсорбция. Виды адсорбции. Уравнения Ленгмюра и Фрейндлиха - Поверхностные явления. Адсорбция

Адсорбция - концентрирование вещества из объема фаз на поверхности раздела между ними. Адсорбция может рассматриваться как Поглощение вещества (адсорбата) поверхностью адсорбента.

Адсорбент - вещество, на поверхности которого протекает адсорбция.

Адсорбтив - Газ или растворенное вещество, способное адсорбироваться на поверхности адсорбента.

Адсорбат - Адсорбированное вещество, находящееся на поверхности адсорбента. Часто понятия "адсорбтив" "адсорбат" отождествляются

Различают Физическую адсорбцию, Происходящую без химического изменения адсорбата и Химическую адсорбцию (хемосорбцию), сопровождающуюся химическим взаимодействием адсорбтива с адсорбентом.

Адсорбция бывает на границах раздела фаз: твердое тело - жидкость, твердое тело - газ, жидкость - газ, жидкость - жидкость.

Если вещество адсорбируется в виде молекул, говорят о Молекулярной Адсорбции, в виде ионов - Ионной адсорбции.

Адсорбция - обратима, обратный процесс называют Десорбцией.

Скорости адсорбции и десорбции равны между собой при Адсорбционном равновесии, которому соответствует Равновесная концентрация адсорбата в растворе или Равновесное давление в газовой фазе.

Величина адсорбции (А) характеризуется равновесным количеством поглощаемого вещества (Х), приходящимся на единицу массы твердого адсорбента (m): [моль/кг или кг/кг]

Изотерма адсорбции - графическое отображение зависимости величины адсорбции от равновесной концентрации или равновесного давления при данной постоянной температуре.

Различают адсорбцию Мономолекулярную, при которой адсорбат покрывает поверхность адсорбента слоем толщиной в одну молекулу и Полимолекулярную, при которой молекулы адсорбата могут располагаться на поверхности адсорбента в несколько слоев.

Изотерма мономолекулярной адсорбции Имеет вид, изображенный на рис.12 (Изотерма Ленгмюра)

А Участок I - отвечает Малым равновесным концентрациям (давлениям), когда небольшая часть поверхности адсорбента занята молекулами адсорбата, а зависимость А - с (р) линейна;

АУчасток II - Средним концентрациям (давлениям) при которых значительная доля поверхности адсорбента занята молекулами адсорбата;

C (р) Участок III - наблюдается при Высоких равновесных концентрациях (давлениях), когда вся поверхность адсорбента занята молекулами адсорбата и достигнута Предельная величина адсорбции (А).

Изотерма мономолекулярной адсорбции хорошо Описывается уравнением Ленгмюра:

или

Где В, А константы, индивидуальные для каждого отдельного вещества при адсорбции на конкретном адсорбенте;

С, р - равновесная концентрация или равновесное давление.

При малых равновесных концентрациях можно пренебречь величиной С или Р в знаменателе. Тогда уравнение Ленгмюра преобразуется в уравнение прямой, проходящей через начало координат:

А = А в с Или А =А в р

При больших равновесных концентрациях Можно пренебречь в знаменателе величиной В. Тогда уравнение Ленгмюра преобразуется в уравнение прямой не зависящей от С Или Р: А = А

Для практических расчетов Необходимо знать константы уравнения Ленгмюра А и В. Преобразование уравнения в линейную форму прямой, не проходящей через начало координат: , позволяет строить график зависимости 1/А - 1/с (рис.13).

1/А Отрезок ОВ равен 1/А. Коэффициент В Можно найти, исходя из того, что В равен концентрации, при которой величина адсорбции составляет половину от предельной.

Рис. 13.

На графике интерполяцией определяется отрезок ОД, соответствующий 2/А и равный 1/в. Тогда в = 1/ОД.

Уравнение Ленгмюра было выведено на основе теории мономолекулярной адсорбции, которая имеет следующие Основные положения:

Адсорбция молекул происходит только на адсорбционных центрах (вершины неровностей и узкие поры);

Каждый адсорбционный центр может удерживать только одну молекулу адсорбата;

Процесс адсорбции обратим; адсорбционное равновесие носит динамический характер. Адсорбированные молекулы удерживаются адсорбционными центрами только определенное время, после чего происходит десорбция этих молекул и адсорбция того же числа новых молекул.

Кроме уравнения Ленгмюра на практике часто используется Уравнение Фрейндлиха:

А = КС1/n Или А = КР1/n, где К и 1/n - константы эмпирические.

Уравнение более подходит для описания Адсорбции на Пористых или Порошкообразных адсорбентах в области Средних концентраций (давлений).

Изотерма адсорбции Фрейндлиха не имеет горизонтальной прямой и адсорбция с ростом концентрации (давления) увеличивается (рис. 14).

рис.15

Рис. 14 Рис.15

Для Нахождения констант уравнения Фрейндлиха Оно преобразуется с помощью логарифмирования в уравнение прямой, не проходящей через начало координат: lg А = lg К + 1/n lg С.

В соответствии с этим график зависимости lg А от lg С или (Р), построенный по экспериментальным данным имеет вид, показанный на рис. 15. Экстраполяцией на ось ординат получают отрезок ОВ равный lg К. Тангенс угла наклона прямой ВN к оси абсцисс равен 1/n (Tg = )

Полимолекулярная адсорбция - наблюдается при адсорбции на пористых или порошкообразных адсорбентах (силикагель, активированный уголь, порошки и таблетки лекарственных веществ). В этом случае адсорбция продолжается до образования плотного мономолекулярного слоя, как показано на рис. 16.

с, (р)

Рис. 16. С, (р)

Рис. 17.

Такой адсорбции отвечает изотерма другого вида (рис. 17), так называемая "S - изотерма".

Капиллярная конденсация - явление сжижения пара в порах или капиллярах твердого адсорбента, она наблюдается при поглощении легко сжижающихся газов или паров (например, воды, бензола и др.) в результате полимолекулярной адсорбции. При этом Полимолекулярный слой Представляет собой тончайшую пленку жидкости, Покрывающую внутреннюю поверхность поры. Сливающиеся друг с другом в узких местах слои такой жидкости образуют вогнутые мениски, под которыми Создается пониженное давление пара. Благодаря этому Поры втягивают в себя молекулы газа (пара) и Заполняются жидкостью, образующейся при конденсации.

При протекании адсорбции, осложненной капиллярной конденсацией, Изотерма отвечающая заполнению пор (1) не совпадает с изотермой (2), отвечающей их опорожнению (рис.18). На изотерме образуется Петля конденсационного гистерезиса. Процессы адсорбции и десорбции не совпадают.

Рис. 18.

Похожие статьи




Адсорбция. Виды адсорбции. Уравнения Ленгмюра и Фрейндлиха - Поверхностные явления. Адсорбция

Предыдущая | Следующая