wyk8, Chemia, FIZYCZNA
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
ADSORPCJA
Adsorpcja
to proces zachodzący na powierzchni cia skondensowanych.
Innymi sowy nagromadzenie się cząsteczek na powierzchni fazy
skondensowanej (cieczy ciaa staego) nazywamy adsorpcją (rys.1).
Rys. 1. Schemat procesu adsorpcji
Substancję która ulega adsorpcji nazywana jest
adsorbatem,
a substancja na której ten proces zachodzi –
adsorbentem
lub podożem
Adsorbenty są to najczęściej ciaa stae o bardzo dobrze rozwiniętej
powierzchni.
Na powierzchnię czynną adsorbentu (staego) skadają się również różne
pory i kanaliki. Zależnie od stopnia rozdrobnienia adsorbentu zwiększa
się jego powierzchnia waściwa Powierzchnią waściwą nazywamy
powierzchnię jednego grama ciaa wyrażoną w
cm
2
lub w
m
2
.
Do często stosowanych adsorbentów należą między innymi różne
gatunki specjalnie preparowanego węgla aktywnego. Powszechnie
wiadomo że węgiel aktywny pochania niektóre gazy oraz usuwa
niektóre substancje (zanieczyszczenia) rozpuszczone w wodzie
Oprócz
adsorpcji,
polegającej na powierzchniowym zagęszczaniu
adsorbatu występuje zjawisko
absorpcji,
polegające na równomiernym
pochanianiu adsorbatu przez caą masę adsorbentu Zjawisko adsorpcji
i absorpcji nazwano ogólnie sorpcją.
ADSORPCJA FIZYCZNA (FIZYSORPCJA)
Cząsteczki lub atomy mogą gromadzić się na powierzchni na dwa
sposoby, w procesie adsorpcji fizycznej lub chemicznej.
W procesie adsorpcji fizycznej pomiędzy adsorbatem i adsorbentem
zachodzą oddziaywania van der Wasala (w wyniku si dyspersyjnych
lub oddziaywa dipolowych) Siy van der Wasala są sabymi
oddziaywaniami ale o dugim zasięgu Energia uwalniana w trakcie
adsorpcji fizycznej jest tego samego rzędu co entalpia kondensacji.
Entalpię adsorpcji można wyznaczyć mierząc wzrost temperatury
próbki o znanej pojemności cieplnej Typowe jej wartości wynoszą od
kilku do okoo
20kJ/mol.
Taka niewielka zmiana entalpii zwykle nie wystarcza do zerwania
wiąza zatem zaadsorbowana fizycznie cząsteczka zachowuje swoją
tożsamość choć w wyniku oddziaywa z powierzchnią może ulegać
deformacji (odksztaceniom)
ADSORPCJA CHEMICZNA (CHEMISORPCJA)
W procesie adsorpcji chemicznej (chemisorpcji) cząsteczki lub atomy
ączą się z powierzchnią tworząc wiązania chemiczne (najczęściej
kowalencyjne). Entalpia chemisorpcji jest o rząd wielkości wyższa od
entalpii fizysorpcji i wynosi ok.
200 kJ/mol.
Zaadsorbowana cząsteczka na powierzchni może ulec rozpadowi
w wyniku oddziaywania niewysycanych walencyjnie atomów
powierzchniowych. Rozpad ten (fragmentacja) cząstek
zaadsorbowanych jest jedną z przyczyn katalitycznego oddziaywania
powierzchni cia staych w reakcjach chemicznych (rys. 2).
2
Rys. 2. Przykad chemisorpcji
Chemisorpcja z reguy jest procesem egzotermicznym
Od reguy tej
istnieją wyjątki jeśli adsorbat ulega dysocjacji a powstae fragmenty
odznaczają się dużą ruchliwością na powierzchni np w przypadku
adsorpcji cząsteczek wodoru na powierzchni szka.
Adsorpcja może zachodzić na rożnych granicach faz ciecz – gaz, ciecz-
ciecz ciao stae-ciecz lub ciao stae – gaz.
Proces adsorpcji substancji rozpuszczonej na powierzchni swobodnej
roztworu opisuje równanie Gibbsa
Adsorpcję gazu na powierzchni cia staych opisuje teoria adsorpcji
jednowarstwowej Langmuira i teoria adsorpcji wielowarstwowej BET
(skrót od nazwisk autorów)
Adsorpcję na granicy ciao stae roztwór opisywana jest za pomocą
empirycznego równania Freundlicha.
RÓWNANIE ADSORPCJI POWIERZCHNIOWEJ GIBBSA
Gibbs (1978) wyprowadzi matematyczne równanie adsorpcji cząsteczek
substancji rozpuszczonej (związków organicznych alkoholi kwasów
tuszczowych) na powierzchni cieczy W opisie tym posuguje się
pojęciem
nadmiaru powierzchniowego
, oznaczonym symbolem
,
)1(
2
,
który wyraża różnicę między liczbą moli substancji nagromadzonej
w fazie powierzchniowej o jednostkowej powierzchni a ilością tejże
substancji zawartej w równoważnej ilości fazy objętościowej
Równanie to zazwyczaj przedstawiane jest w postaci
3
a
)1(
2
RT
pT
a
,
Nadmiar powierzchniowy może być dodatni i ujemny
Równanie adsorpcji Gibbsa wiąże adsorpcję cząstek substancji
rozpuszczonej na powierzchni rozpuszczalnika ze zmianą napięcia
powierzchniowego Gdy cząsteczki substancji rozpuszczonej gromadzą
się na powierzchni swobodnej roztworu powodują obniżenie napięcie
powierzchniowe rozpuszczalnika, tj, gdy
)1(
2
,0
,0
a
T
,
p
natomiast cząsteczki substancji podwyższających napięcie
powierzchniowe uciekają” z powierzchni do wnętrza cieczy
IZOTERMA ADSORPCJI LANGMUIRA
Langmuir poda model adsorpcji prowadzącej do wytworzenia jednej
monowarstwy. model ten opiera się na następujących zaożeniach
powierzchnia staych adsorbentów ma na swej powierzchni
szczególnie aktywne miejsca zwane centrami aktywnymi którymi
mogą być określone ściany mikrokrystalitów defekty sieciowe lub
w przypadku adsorbentów zożonych granice faz
proces adsorpcji zachodzi na centrach aktywnych
każde centrum może zaadsorbować tylko jedną cząstkę czyli
adsorbent pokrywa się warstwą monomolekularną
cząsteczki zaadsorbowane na centrach adsorpcji nie oddziaują
wzajemnie na siebie
proces adsorpcji ma charakter dynamicznej równowagi pomiędzy
adsorpcją i procesem odwrotnym do adsorpcji –
desorpcją
Stopie pokrycia powierzchni
θ
lub inaczej
uamek zapenienia
powierzchni
określa wyrażenie
4
n
n
m
gdzie:
n
— liczba moli substancji zaadsorbowanej przez daną masę adsorbentu
(liczba zajętych centrów adsorpcyjnych),
n
m
– liczba moli przy której następuje zapenienie wszystkich centrów
adsorpcyjnych.
Zgodnie z tą definicją
:
0
1
Szybkość adsorpcji jest proporcjonalna do ciśnienia gazu i do uamka
powierzchni nie obsadzonej:
p
r
ads
1
k
Szybkość desorpcji jest proporcjonalna do uamka powierzchni pokrytej
'
r
ads
W stanie równowagi szybkość adsorpcji i desorpcji są sobie równe
k
k
1
k
'
Po prostych przeksztaceniach otrzymujemy związek między stopniem
pokrycia powierzchni a ciśnieniem w postaci:
bp
1
bp
k
b
gdzie
:
- zwany jest wspóczynnikiem adsorpcji.
k
'
n
Uwzględniając definicję stopnia obsadzenia
m
:
n
5
[ Pobierz całość w formacie PDF ]