Адсорбция и ее характеристики. Теории полимолекулярной адсорбции.

Адсорбция – самопроизвольное перераспределение компонентов между поверхностным слоем и объемной фазой.

Физическая адсорбция обусловлена действием физических сил притяжения – различными типами ван-дер-ваальсового взаимодействия. Обратима, является экзотермическим процессом (протекающим с выделением теплоты).

Химическая адсорбция (хемосорбция) происходит за счет образования химических связей между молекулами (ионами, атомами) адсорбата и адсорбента. Хемосорбция обычно необратима.

Поглощающее (адсорбирующее) вещество называют адсорбентом, а поглощающееся (адсорбирующееся) – адсорбатом.

Для количественной характеристики адсорбции используются две величины:

1.удельная (гиббсовская) адсорбция Г_i: , где n_i – количество вещества в реальной системе; – в фазе I, – в фазе II идеальной системы, s – площадь межфазной поверхности.

Т. е. гиббсовская адсорбция – это избыток вещества в межфазном поверхностном слое, приходящийся на единицу площади поверхности по сравнению с количеством вещества в таком же объеме фазы. , где  – толщина поверхностного слоя,

[ кг/м² ], либо [ моль/кг ], либо [ кг/кг ].

2.полная адсорбция а_i. Полная адсорбция – количество вещества в поверхностном слое толщиной δ в расчете на единицу поверхности или массы адсорбента:

Между Г_i и а_i существует взаимосвязь: , а_i всегда больше0

Г_i может быть больше и меньше 0.

При адсорбции в условиях Т ‹ Т_кр имеет место конденсация, и мономолекулярный слой не компенсирует поверхностную энергию è образуется несколько адсорбционных слоев (полимолекулярная адсорбция).

Полимолекулярная адсорбция реализуется в двух случаях:

 

Для первого случая была предложена потенциальная теория адсорбции Поляни, которая дает термодинамическое описание процесса адсорбции.

Теория Поляни

Основные постулаты:

все адсорбированное вещество находится в конденсированном состоянии;

адсорбат у поверхности адсорбента образует адсорбционный объем V.

,

где V_m – молярный объем адсорбата в конденсированном состоянии.

У поверхности действует поле адсорбционных сил, интенсивность которых уменьшается с расстоянием. Для характеристики интенсивности поля введен адсорбционный потенциал ε.

Физический смысл ε – это изотермическая работа по переносу 1 моль пара адсорбата из достаточно удаленного от поверхности объема в адсорбционный объем. или это изотермическая работа по сжатию адсорбата от давления р до давления насыщения р_s.

,

где р_s – давление насыщенного пара адсорбата в отсутствие адсорбента;

р – равновесное давление, т.е. давление пара адсорбата в присутствии адсорбента.

Каждой точке изотермы адсорбции соответствуют определенные значения а и р/р_s, которые позволяют получить значения V и ε, т. е. найти зависимость адсорбционного потенциала от объема адсорбата на адсорбенте – потенциальную кривую адсорбции.

- потенциальная характеристическая кривая данного адсорбента

, т. е. адсорбционный потенциал от температуры не зависит.

Для данного адсорбента и адсорбата, зная изотерму адсорбции при данной температуре Т₁, можно рассчитать изотерму для другой температуры Т₂. .

Рассчитаем а₂ и р₂ для другой температуры: ,

ê

Важная особенность потенциальных кривых была обнаружена Дубининым. Она заключается в том, что характеристические кривые для одного и того же объема адсорбента и разных адсорбатов при всех значениях объемов адсорбата в поверхностном слое находятся в постоянном отношении β: ,где β – коэффициент аффинности, ε – адсорбционный потенциал для одного адсорбата, ε_о – для другого.

Для данного адсорбента, имея β и зная изотерму адсорбции, можно рассчитать изотерму любого другого адсорбата на данном адсорбенте.

D Эта теория не дает уравнения изотермы адсорбции, только термодинамическое описание.

Для второго случая используют теорию БЭТ (теория Брунауэра, Эммета и Теллера).

Теория БЭТ. Согласно этой теории каждый адсорбционный центр s_х связывает несколько молекул адсорбента Х, образуя цепочки:

Уравнение, описывающее адсорбцию, выглядит следующим образом:

, где ; К_р – константа адсорбции; К_L – константа конденсации.

Для нахождения констант этого уравнения на основании экспериментальных данных строят график:

D Это уравнение работает только в интервале , в котором предполагается отсутствие взаимодействия между цепочками адсорбированных молекул.

При – большая степень заполнения, возникают боковые взаимодействия между молекулами.

При – малая степень заполнения, на величину адсорбции сильно влияют энергетические неоднородности поверхности.

C теория имеет практическое значение, т. к. можно определить удельную поверхность адсорбента. , где s_о – площадь, занимаемая молекулой адсорбата.

Величина а_∞ зависит от энергетической равноценности поверхности и наличия пор.

Для характеристики адсорбента используется понятие «пористость» П: