Рівняння Гіббса для адсорбції

 

Припустимо, що в поверхневому шарі рідини, площею F вміщується 1 моль розчиненої речовини. При переході малої кількості розчиненої речовини з об’єму у поверхневий шар, поверхневий натяг зменшується на , а вільна енергія поверхні зменшується на . Це зменшення вільної енергії еквівалентно роботі вилучення з розчину такої самої кількості розчинених речовин. Якщо 1 моль розчиненої речовини знаходиться в об’ємі V, і dP – різниця тисків розчину до і після вилучення малої кількості розчинених речовин, то робота вилучення , тоді

До розбавленого розчину застосовують закон ідеальних газів. Зменшення вільної поверхневої енергії

(4.9)

і

(4.10)

У випадку ідеального розбавлення розчинів тиск пропорційний концентрації С.

Тоді:

(4.11)

Рівняння (4.11) є основним рівнянням Гиббса для адсорбції.

Так як спочатку надлишок розбавленої речовини був прийнятий за 1 моль, то представляє собою адсорбцію в молях на одиницю площі (моль/см²).

Тоді:

(4.12)

Величину називають поверхневою активністю речовини, яку вимірюють в гиббсах; 1Гиббс= .

З рівняння Гиббса витікає, що при , тобто при зменшені поверхневої енергії зі збільшенням концентрації С адсорбція позитивна (Г>0), й розчинена речовина вважається поверхнево активною . У протилежному випадку має місце зворотна нерівність і розчинену речовину називають інактивною.

Таким чином, адсорбцію називають позитивною, якщо концентрація розчиненої речовини у поверхневому шарі вище, ніж в об’ємі, й негативною у протилежному випадку. Адсорбція завжди зменшується із збільшенням температури внаслідок теплового руху.

 

Фізична адсорбція

 

Сорбційні сили та процеси.

Сорбція — це процес поглинання газів або пари твердими чи рідинними тілами. Природа сорбційних сил така ж, як і сил міжмолекулярної взаємодії. Адсорбція відбувається під дією некомпенсованої або міжатомної взаємодії в поверхневому шарі адсорбенту, який притягує молекули адсорбата із приповерхневої області. Адсорбція зменшує поверхневу енергію адсорбента і є початковою стадією процесу взаємодії між твердими речовинами та газом.

Розрізняють хімічну і фізичну адсорбції (взаємодію).

Фізична взаємодія визначається наступними ефектами:

1. Притягання між молекулою із постійним диполем та молекулою з індуційованим диполем (індукційний ефект);

2. Притягання між молекулами із постійними диполями (орієнтаційний ефект);

3. Притягання між молекулами із флюктуіруючим та індуцірованим диполем (дисперсійний ефект);

4. Відштовхування між ядрами молекул, що зближуються.

При хімічній взаємодії розрізняють слідуючи види зв’язків, які забезпечують притягання молекул: ковалентну, металічну, іону.

Рідина, яка поглинає газ, називається сорбентом (адсорбентом, абсорбентом). Рідина, що поглинається — сорбат (адсорбат, абсорбат).

У випадку фізичної адсорбції між частинкою і поверхнею діють слабкі дальньодіючі сили; енергія зв’язку мала: приблизно 0,1...0,5 еВ.