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 :
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.
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 = КС 1/n или А = КР 1/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. 14
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.
Рис. 16.
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.
Адсорбцию можно рассматривать как взаимодействие молекул адсорбата с активными центрами поверхности адсорбента. Процессы адсорбции классифицируют в соответствии с типом взаимодействия адсорбата с адсорбентом. Различают физическую (молекулярную) адсорбцию, хемосорбцию (химическое присоединение атома молекулы) и ионный обмен. В данном разделе рассматривается, главным образом физическая адсорбция газов и паров.
Для физической адсорбции характерно взаимодействие адсорбента и адсорбата за счет сил Ван-дер-Ваальса и водородных связей: эти адсорбционные силы обеспечивают притяжение. На близком расстоянии проявляются короткодействующие силы отталкивания. Силы Ван-дер- Ваальса включают три вида взаимодействий:
Ориентационные силы действуют между полярными молекулами, обладающими дипольным моментом больше нуля. Взаимодействие диполей зависит от их взаимной ориентации, что и дало название силам диполь-дипольного взаимодействия. Эти силы максимальны, когда дипольные моменты молекул располагаются вдоль одной линии благодаря тому, что в этом случае расстояния между разноимёнными зарядами меньше, чем между одноимёнными. В результате притяжение диполей превосходит их отталкивание. Тепловое движение непрерывно хаотично меняет ориентацию полярных молекул, но среднее по всевозможным ориентациям значение силы имеет величину, не равную нулю.
Индукционные силы возникают при взаимодействии полярной и неполярной молекул. Полярная молекула создаёт электрическое поле, которое поляризует неполярную молекулу. В результате происходит смещение электрических зарядов, равномерно распределённых по объёму молекулы до взаимодействия. В результате у неполярной молекулы индуцируется дипольный момент.
Природа дисперсионных сил Лондона-Ван-дер-Ваальса (1930) полностью была выяснена только после появления квантовой механики. Их возникновение обусловлено тем, что даже нейтральные атомы представляют собой системы колеблющихся зарядов, вследствие чего мгновенное значение дипольного момента незаряженной молекулы больше нуля. Флуктуационно возникший диполь создаёт электрическое поле, поляризующее соседние молекулы. Энергия взаимодействия между неполярными молекулами есть средний результат взаимодействия всевозможных мгновенных диполей с дипольными моментами, которые они наводят в соседних молекулах благодаря индукции.
Дисперсионные силы действуют между всеми атомами и молекулами, так как механизм их появления не зависит от величины дипольного момента молекулы. Существенной особенностью дисперсионных взаимодействий является их аддитивность: для двух объемов конденсированных фаз, находящихся на расстоянии h, имеет место суммирование притяжения отдельных молекул.
Дисперсионный эффект (силы Лондона) проявляется в чистом виде между неполярными молекулами. Соответствующие силы возникают вследствие того, что флуктуации электронной плотности в одном атоме индуцируют подобные флуктуации в соседнем атоме. Резонанс таких флуктуаций приводит к уменьшению общей энергии системы, обусловленному притяжением атомов. Такие силы имеют общий характер и могут возникать между любыми атомами, что и обуславливает их универсальность.
Ориентационный эффект (силы Киезома) дисперсионное взаимодействие усиливается при наличии у молекул постоянных диполей, характеризующимся проявлением дипольдипольного взаимодействия. Чем больше дипольные моменты взаимодействующих молекул, тем больше составляющая ориентационного эффекта.
Индукционный эффект (силы Дебая) проявляется при взаимодействии между полярной и неполярной молекулами, отражающий усиление притяжения благодаря тому, что полярная молекула индуцирует диполь в неполярной молекуле этот эффект тем значительнее, чем больше поляризуемость молекул.
Полную потенциальную энергию двух взаимодействующих атомов (молекул) удовлетворительно описывает уравнение Леннарда - Джонса:
U x c 6 x b 12
Где x – расстояние на которое действуют силы притяжения; с – константа учитывающая эффект каждой составляющей сил Ван-дер-Ваальса; b – эмпирическая константа
При адсорбции происходит взаимодействие между атомом (молекулой) адсорбата с поверхностью адсорбента, т. е. с большим числом атомов (молекул), из которых состоит адсорбент. Поэтому зависимость энергии притяжения при адсорбции от расстояния иная, чем описываемая по уравнению Леннарда - Джонса. Это объясняется тем, что дисперсионные силы, вносящие основной вклад во взаимодействие, обладают свойством аддитивности. Поэтому если один атом взаимодействует с системой атомов из 2, 3, 4 и т. д. атомов, то энергия взаимодействия соответственно в 2, 3, 4 и т. д. раза больше, чем энергия двух взаимодействующих атомов. Таким образом, чтобы рассчитать энергию взаимодействия при адсорбции, необходимо провести суммирование энергий взаимодействия адсорбирующегося атома с каждым атомом адсорбента.
U cn
6x 3
Такая зависимость указывает на более медленное уменьшение энергии притяжения при адсорбции и на дальнодействие адсорбционных сил. Уравнение было использовано Лондоном, а затем и другими учеными для экспериментального доказательства дисперсионной природы адсорбционных сил и связи энергии адсорбции со свойствами адсорбированных молекул и адсорбента. Полную потенциальную энергию взаимодействия при адсорбции можно выразить уравнением
6x 3 |
||||
т - расстояние атома А от отдельных атомов адсорбента Одним из важных практических выводов при рассмотрении природы адсорбционного
взаимодействия является вывод о значительно лучшей адсорбции веществ в трещинах и порах, когда проявляется преимущественно дисперсионное взаимодействие, так как вблизи адсорбированной молекулы находится большее число атомов твердого тела. Если же в адсорбционном взаимодействии значителен электростатический вклад, то в щелях и порах положительные и отрицательные заряды компенсируют друг друга и наибольший потенциал оказывается на выступах, где и будет преобладать адсорбция, особенно при образовании водородных связей (адсорбция воды, метилового спирта и др.). Кроме того, чем и большее число атомов имеет молекула адсорбата, тем с большей энергией она будет притягиваться к адсорбенту.
Рассмотрим распределение веществ между объемной фазой и поверхностным слоем, и в частности при адсорбции на границе жидкость - газ или жидкость - жидкость, когда активности отдельных участков адсорбционного поля автоматически выравниваются. Поверхность твердых тел, как правило, неоднородна геометрически (пористость) и химически, и чтобы получить простейшие закономерности адсорбции, необходимо предположить, что поверхность адсорбента однородна и распределение адсорбата происходит в мономолекулярном слое. Если пористость представить как отдельную фазу, то можно рассматривать процесс перераспределения вещества как выравнивание химических потенциалов распределяемого вещества в адсорбционном слое и в объемной фазе
где μ0 и μ0 – химический потенциал распределяемого вещества в адсорбционном слое и в объемной фазе; а и а – активности распределяемого вещества в адсорбционном слое и в объемной фазе; К – константа распределения Генри, не зависящая от концентрации.
Для неэлектролитов
где и – константы активности распределяемого вещества в адсорбционном слое и в объемной фазе; D – коэффициент распределения
Рисунок 11 – Зависимость величины адсорбции от конценрации (давления)
Так как в бесконечно разбавленном растворе коэффициенты активности равны единице, то на основании уравнения можно сформулировать следующую закономерность: при разбавлении системы коэффициент распределения стремится к постоянному значению, равному константе распределения Генри. В этом и состоит закон Генри. Относительно величины адсорбции А этот закон запишется так:
с , |
A K " |
|||
Для идеального газа КГ = КГ ’ RT
Уравнения представляют собой изотермы адсорбции вещества при малых концентрациях. При адсорбции на твердых адсорбентах область действия этого закона мала из-за неоднородности поверхности. Но даже на однородной поверхности с увеличением концентрации вещества или давлении пара обнаруживается отклонение от линейной зависимости. Это связано с тем, что, например, при положительной адсорбции концентрация вещества в поверхностном слое растет быстрее, чем увеличение ее в объемной фазе, и поэтому коэффициенты активности адсорбата на поверхности адсорбента раньше начинают отклоняться от единицы. При малых концентрациях распределяемого вещества отклонения обусловлены, главным образом соотношением между взаимодействиями молекул друг с другом и с поверхностью адсорбента. Если когезионное взаимодействие адсорбата больше, то отклонение от закона Генри отрицательное - коэффициенты активности меньше единицы (положительное отклонение от закона Рауля), и коэффициент распределения увеличивается (кривая 1); если же сильнее взаимодействие адсорбат адсорбент, то отклонение от закона Генри положительное (отрицательное отклонение от закона Рауля) и коэффициент распределения уменьшается (кривая 2). При дальнейшем увеличении концентрации вещества или давлении пара уменьшается свободная поверхность адсорбента; что влечет за собой снижение его реакционной способности, выражающееся в росте коэффициентов активности адсорбата на поверхности адсорбента.
Фундаментальным вкладом в учение об адсорбции явилась теория Ленгмюра. Эта теория позволяет учесть наиболее сильные отклонения от закона Генри, связанные с ограниченностью адсорбционного объема или поверхности адсорбента. Ограниченность этого параметра приводит к адсорбционному насыщению поверхности адсорбента по мере увеличения концентрации распределяемого вещества. Это положение является основным в теории Ленгмюра и уточняется следующими допущениями:
1. Адсорбция происходит на дискретных адсорбционных центрах, которые могут иметь различную природу.
2. При адсорбции соблюдается строго стехиометрическое условие - на одном центре адсорбируется одна молекула.
3. Адсорбционные центры энергетически эквивалентны и независимы, то есть адсорбция на одном центре не влияет на адсорбцию на других центрах.
4. Процесс адсорбции находится в динамическом равновесии с процессом десорбции. Первое положение означает, что адсорбированные молекулы прочно связаны с
адсорбционными центрами; они как бы локализованы на центрах (локализованная адсорбция). Из второго положения следует, что на поверхности может образовываться только один адсорбционный слой, поэтому адсорбцию по Ленгмюру называют мономолекулярной. Третье положение означает, что дифференциальная теплота адсорбции постоянна и что силами взаимодействия адсорбированных молекул можно пренебречь. И, наконец, согласно последнему положению, адсорбированные молекулы вследствие флуктуаций энергии могут отрываться от центров и возвращаться в газовую фазу.
На основании этих положений можно получить уравнение изотермы адсорбции. Скорость адсорбции из газовой фазы Vадс (то есть число молекул, адсорбированных за единицу времени) пропорциональна давлению газа и числу свободных центров на поверхности твердого тела. Если общее число центров А , а при адсорбции оказывается занятыми А центров, то число центров, остающихся свободными равно (А - А). Поэтому V адс = k адс. р (А - А). Адсорбция динамически уравновешена процессом десорбции. Скорость десорбции пропорциональна числу адсорбированных молекул V дес = k дес. А . При равновесии V адс = V дес или k адс. р (А - А) = k дес. А . Переобозначив k адс / k дес = К (где К - это константа адсорбционного равновесия) и А/А = . (относительное заполнение поверхности) получим
A A Kc 1 Kc
Уравнение называется уравнением изотермы адсорбции Ленгмюра .
Необходимо отметить, что константа адсорбционного равновесия Ленгмюра характеризует энергию взаимодействия адсорбата с адсорбентом. Чем сильнее это взаимодействие, тем больше константа адсорбционного равновесия. Адсорбционное уравнение Ленгмюра часто представляют относительно степени заполнения поверхности - отношения величины адсорбции к емкости монослоя.
Выражения соответствуют закону Генри: величина адсорбции линейно растет с увеличением концентрации. Таким образом, уравнение Ленгмюра является более общим соотношением, включающим и уравнение Генри. При больших концентрациях и давлениях, когда Кс> 1 и Кр > 1, уравнения переходят в соотношения
A A и |
Соотношения отвечают насыщению, когда вся поверхность адсорбента покрываётся мономолекулярным слоем адсорбата.
Согласно принципу независимости поверхностного натяжения, который ввел Ленгмюр, величина предельной адсорбции a ∞ одинакова для всех членов гомологического ряда, т. е. не зависит от длины углеводородной цепи, а определяется только площадью поперечного сечения молекул. Это утверждение становится понятным, если рассмотреть строение поверхностного слоя при его предельном заполнении. В этом случае дифильные молекулы могут располагаться в поверхностном слое единственно возможным образом, когда гидрофильные части молекул
находятся на поверхности воды и плотно примыкают друг к другу, а гидрофобные радикалы ориентируются к воздушной среде (так называемый «частокол Ленгмюра», о котором уже упоминалось выше).
Следовательно, если предельная адсорбция – это количество моль ПАВ, полностью занимающее единицу поверхности, то величина, обратная предельной
адсорбции, будет давать суммарную площадь поперечного сечения одного моль молекул, тогда:
Для нахождения длины молекулы необходимо помимо S молекулы знать ее объем:
Тогда |
V молекулы |
|||||||||||||
молекулы |
S молекулы |
|||||||||||||
где М – молярная масса ПАВ, ρ – плотность ПАВ, δ – длина молекулы ПАВ. Экспериментальные результаты по определению изотермы адсорбции обычно
обрабатывают с помощью уравнения Ленгмюра, записанного в линейной форме:
Такая линейная зависимость позволяет графически определить оба постоянных параметра адсорбционной изотермы.
При адсорбции газов из их смесей в соответствии с уравнением изотермы Ленгмюра величины адсорбции суммируются, а концентрация свободных центров является общей для равновесной многокомпонентной системы.
K i p i |
|||
1 K i p i |
|||
Увеличение парциального давления одного компонента подавляет адсорбцию других, и тем сильнее, чем больше адсорбционная константа равновесия.
Реальные поверхности твердых тел, как правило, не обладают энергетически эквивалентными активными центрами Существенным приближением к реальным условиям является рассмотрение возможных распределений адсорбционных центров поверхности адсорбента по энергиям. Приняв линейное распределение адсорбционных центров по энергиям (теплотам адсорбции), М. И. Темкин, используя уравнение Ленгмюра, получил следующее уравнение для средних степеней заполнения адсорбента:
1 ln K 0 p
где - постоянная характеризующая линейное распределение; К0 – константа в уравнении Ленгмюра, отвечающая максимальной теплоте адсорбции.
Уравнение Ленгмюра можно использовать только при отсутствии адсорбции вещества сверх мономолекулярного слоя. Это условие выполняется достаточно строго при хемосорбции, физической адсорбции газов при небольших давлениях и температурах выше критической (при отсутствии конденсации на поверхности адсорбента), а часто и при адсорбции из растворов. Указанные ограничения для применения уравнения Ленгмюра связаны не столько с формальным
Для описания процесса адсорбции, в частности мономолекулярной, помимо фундаментального уравнения адсорбции Гиббса применяют ряд других аналитических уравнений, которые называют по имени их авторов.
При незначительном заполнении адсорбента адсорбатом отношение концентрации веществ в адсорбционном слое и в объеме стремится к постоянному значению, равному к Г. Эту закономерность можно выразить аналитически следующим образом:
Г(А) = к Г с. (4.24)
Уравнение (4.24) характеризует изотерму адсорбции при малых концентрациях адсорбтива (рис. 4.5, участок I) и является аналитическим выражением закона Генри. Коэффициент кГне зависит от концентрации и представляет собой константу распределения, характеризующую распределение вещества в адсорбционном слое по отношению к его содержанию в объемной фазе. Полученное на основе закона Генри уравнение (4.24) и соответствующая ему линейная зависимость адсорбции от концентрации на начальном участке изотермы адсорбции (участке I) соблюдается лишь приближенно, но это приближение бывает достаточным для практики.
В более общем виде зависимость адсорбции от концентрации адсорбтива можно определить при помощи уравнения Фрейндлиха
Г(А) = кс 1/n , (4.25)
где к, n – коэффициенты.
Это уравнение было получено на основе результатов обработки опытных данных по адсорбции ПАВ. Коэффициент к численно равен величине адсорбции, когда концентрация адсорбтива, в данном случае ПАВ, равна единице (с = 1, к = Г). Коэффициент п характеризует отличие участка изотермы адсорбции (см. рис. 4.5, участок II) от прямой.
Коэффициенты уравнения Фрейндлиха нетрудно определить графически. Для этого прологарифмируем уравнение (4.25):
lgГ(A) = lgк + (1/n)lgc. (4.26)
Зависимость между lgГ и lgc (рис. 4.6) характеризуется прямой линией, тангенс угла наклона которой равен 1/п, а отрезок, отсекаемый на оси ординат, – lgк.
Аналитическое выражение адсорбции в зависимости от концентрации адсорбтива в виде изотермы адсорбции дано в теории Ленгмюра. В основу теории положены кинетические представления о процессе адсорбции, определяющие скорости адсорбции и десорбции в условиях равновесия.
Представим схематически единицу площади (например, 1 м 2) адсорбционного слоя на границе раздела фаз (рис. 4.7). Если молекула адсорбата занимает в поверхностном слое площадь В 0 , а число его молекул составляет n, то nВ 0 – это площадь, которая приходится на все молекулы в расчете на единицу площади адсорбционного слоя. Поверхность, свободная от молекул адсорбата, равна (1–nВ0); свободная площадь определяет возможность протекания последующей адсорбции.
v д = к д nВ 0 . (4.28)
В уравнениях (4.27) и (4.28) к а и к Д – константы скорости адсорбции и десорбции.
В условиях равновесия скорости прямого и обратного процесса равны. На этом основании из уравнений (4.27) и (4.28) следует
где b – константа равновесия адсорбционного процесса.
Константа равновесия b связана со стандартным значением энергией Гиббса следующим образом:
ΔG 0 = RT lnb; .
Проведем вспомогательные преобразования уравнения (4.29) и выразим число молекул адсорбата:
В случае предельной адсорбции вся площадь границы раздела занята адсорбированными молекулами (см. рис. 4.7, б). По отношению к выбранной единице площади это можно выразить следующим образом:
n ∞ B 0 = 1, (4.31)
где n ∞ – число молекул в насыщенном адсорбционном слое.
Ненасыщенный адсорбционный слой в отличие от насыщенного не полностью занят молекулами адсорбата. Степень насыщения θ адсорбционного слоя можно представить в следующем виде:
θ = n/n∞. (4.32)
В процессе адсорбции степень насыщения изменяется в диапазоне 0 < θ ≤ 1.
Число молекул в ненасыщенном n и насыщенном n ∞ адсорбционных слоях можно выразить через адсорбцию Г(А):
n = Г(А)NА; n ∞ = Г ∞ (А ∞)N A , (4.33)
где N A – число Авогадро.
В уравнение (4.30) подставим значения n, n ∞ и В 0 согласно формулам (4.31) и (4.33); тогда
Это и есть уравнение Ленгмюра. Входящая в него величина b, в соответствии с условием (4.29), является константой адсорбционного равновесия.
Заметим, что в соответствии с равенством (4.33) определялось абсолютное число молекул в адсорбционном слое, а следовательно, и абсолютная адсорбция; но, как уже отмечалось, большой избыток молекул в поверхностном слое по сравнению с их содержанием в объеме позволяет воспользоваться соотношением (4.3). Поэтому в формулах (4.33) и (4.34) адсорбция обозначена как Г(А).
Проведем анализ уравнения Ленгмюра (4.34) и сопоставим его с уравнениями Генри (4.24) и Фрейндлиха (4.25). В начале процесса адсорбции, когда с → 0 и 1>>bc, в соответствии с уравнением (4.34) Г(А) = Г∞(А∞)bс. Произведение Г∞(А∞)b – величина постоянная, что соответствует коэффициенту к Г закона Генри, т.е. участку I изотермы адсорбции (см. рис. 4.5). Уравнение Фрейндлиха справедливо лишь для средней части изотермы адсорбции (участок II). При с → ∞, bc >> 1 из уравнения (4.34) следует, что Г = Г∞; это соответствует участку III изотермы адсорбции. Таким образом, уравнение Ленгмюра определяет все участки изотермы мономолекулярной адсорбции, в том числе и предельную адсорбцию.
Фактически механизм адсорбции является более сложным, чем он представлен на рис. 4.3; это подтверждают большие отклонения экспериментальных данных от теоретических расчетов. Поверхность твердых адсорбентов, как правило, геометрически, энергетически и химически неоднородна; адсорбтив может иметь сложный состав, а скорость адсорбции в различных точках поверхности неодинакова.
Адсорбция относится к одному из важнейших и широко распространенных поверхностных явлений. На основе адсорбции осуществляются многочисленные способы очистки газов и жидкостей от вредных примесей, удаление влаги, разделение смесей веществ и выделение из сложных смесей определенных компонентов, а также многие другие технологические процессы. Применение адсорбции в промышленности будет рассмотрено в гл. 6.
Упражнения
1. Какую часть от абсолютной адсорбции составляет избыточная адсорбция, если в результате адсорбции концентрация адсорбата увеличилась в 17 раз?
Согласно условию задачи концентрация адсорбата в адсорбционном слое с В = 17с.
На основании равенств (4.1) и (4.2) можно определить избыточную адсорбцию:
Г = А – ch = с в h – ch = (с в – с)h.
Отношение избыточной и абсолютной адсорбции
Избыточная адсорбция составляет 0,941 часть, или 94,1% от абсолютной адсорбции.
2. Как соотносится адсорбция, выраженная в моль/м 2 и моль/кг на порошке с диаметром частиц 70 мкм и плотностью 1,25∙10 3 м 3 /кг?
Воспользуемся формулами (1.1), (1.4) и (4.4):
3. Твердое тело поместили в газовую среду. Химическиий потенциал вещества в объемной фазе газовой среды μ i V меньше химического потенциала на поверхности твердого тела μ i В. Какой процесс будет протекать – адсорбция или десорбция?
Так как μ i V < μ i В, самопроизвольно будет протекать десорбция.
4. Энергия связи между адсорбатом и адсорбентом составляет 215 кДж/моль. Какой вид адсорбции имеет место?
Высокое значение энергии связи свидетельствует о том, что протекает хемосорбция.
Уравнение изотермы адсорбции Генри
Если рассматривать динамическую картину адсорбции, то ее величина будет тем больше, чем больше число ударов молекул газа о поверхность (т.е. чем больше давление газа) и чем больше время пребывания молекулы на поверхности от момента удара до момента ее перехода обратно в газовую фазу. Поэтому, но де Буру, величина адсорбции
где n - среднее число молекул, ударяющихся о поверхность в единицу времени, τ - среднее время пребывания молекул на поверхности. В этой формуле предполагается, что каждый удар молекулы сопровождается задержкой ее на поверхности, независимо оттого, есть уже на ней другие молекулы или нет. В действительности, молекула, ударившаяся в уже занятое место, может отразиться обратно в газовую фазу или задержаться, но время ее удержания будет иным.
Учет этих обстоятельств привел к следующей формуле:
Это уравнение изотермы адсорбции Генри. Оно означает, что в идеальной модели величина адсорбции прямо пропорциональна давлению пара или газа. Это название данная зависимость получила по аналогии с известным в физической химии законом Генри, согласно которому объем газа, растворенного в твердом теле или жидкости, пропорционален его давлению. Итак, по принятым допущениям, изотерма Генри должна описывать экспериментальные данные, полученные при малых заполнениях на однородных поверхностях. Первое допущение, как было сказано, оправдывается при изучении адсорбции при очень малых давлениях. Что касается второго, то адсорбцию практически всегда измеряют на неоднородных поверхностях. Однако адсорбция при очень малых давлениях отвечает очень малым степеням покрытия. Это означает, что все зависит от того, насколько неоднородна не вся поверхность, а только малая ее доля, покрываемая при малых давлениях. Поэтому в литературе можно найти достаточно примеров того и другого рода. Константа К уравнения Генри (тангенс угла наклона прямой) зависит от температуры и энергии взаимодействия адсорбат - адсорбент, как это видно из уравнения (4.4). Чем меньше температура и чем больше взаимодействие адсорбированных молекул с поверхностью адсорбента, тем больше К, тем круче изотерма адсорбции.
Конечно, предположение, что молекулы адсорбируются с одинаковой вероятностью на любых участках поверхности, в том числе и уже занятых ранее - слишком грубое допущение, пригодное лишь для очень малых степеней покрытия. Можно сделать другое предположение, состоящее в том, что адсорбция происходит лишь на свободных участках поверхности и что любое попадание молекул на уже занятые места не приводит к акту адсорбции. Это предположение равносильно постулату монослойной адсорбции и оно действительно выполняется, как мы говорили ранее, в случае химической адсорбции, однако при физической адсорбции дело обстоит сложнее
Другое допущение, принятое при выводе уравнения изотермы Генри, об однородности поверхности, т.е. равноценности всех ее участков, сохраним неизменным. И, наконец, третье допущение в рассматриваемой новой модели состоит в отсутствии взаимодействия адсорбированных молекул, т.е. будем считать, что время пребывания молекулы на поверхности не зависит то того, в какое место она ударилась - в непосредственной близости от другой молекулы или на большом от нее расстоянии. Все эти допущения были приняты Ленгмюром при выводе изотермы адсорбции, сделанном им в 1918 г.
Уравнение изотермы адсорбции Ленгмюра можно вывести различными способами. Сам Ленгмюр вывел его, рассматривая зависимость скоростей адсорбции и десорбции от степени покрытия поверхности и считая, что при равновесии обе скорости становятся одинаковыми.
Термодинамический вывод этого уравнения был дан Фольмером, а статистический - Фаулером.
В такой форме уравнение Ленгмюра широко известно. Оно содержит две константы: а m кратко называемая емкостью монослоя (максимальная адсорбция), и K - константа, зависящая от энергии адсорбции и температуры.
Для описания изотермы по рис. 2.10а используют уравнения вида:
где К и к -константы.
Приведенные уравнение являются основными в теории мономолеку- лярной адсорбции Ленгмюра. Чаще используется первый вариант, так как в случае адсорбции ПАВ справедливы все уравнения, содержащие величину А , поскольку при этом абсолютная и гиббсовская адсорбции практически одинаковы (А = Г).
При выводе уравнения Ленгмюра физическое взаимодействие на поверхности может быть представлено как квазихимическая реакция:
где А - адсорбционные центры поверхности; В - распределяемое вещество; АВ - комплекс, образующийся на поверхности.
По мерс увеличения концентрации (давления) вещества В равновесие реакции сдвигается в сторону образования комплекса и свободных центров становится меньше. Константа адсорбционного равновесия по закону действия масс имеет вид:
Введем обозначения:
[В) = с
; [лв]н=Л и [а= Л 0 , в которых А
- величина адсорбции; А^
- число оставшихся свободными адсорбционных
центров, приходящихся на единицу площади поверхности или единицу массы адсорбента. Если А
- величина предельной адсорбции (емкость адсорбционного монослоя), то
Подставляя принятые обозначения в уравнение для константы равновесия, получим выражение для константы
, которое после преобразований и дает известное уравнение изотермы мономолекулярной адсорбции Ленгмюра:
Для газов вместо концентрации используется давление д
(так как концентрация газов и паров при газовой адсорбции практически пропорциональна парциальным давлениям):
Для характеристики адсорбции используется степень заполнения поверхности . Относительно степени заполнения уравнение (2.9)
можно записать в виде
Константы адсорбционного равновесия в разных видах уравнений Ленгмюра (К , к и к") характеризуют энергию взаимодействия адсорбента и адсорбата: чем сильнее это взаимодействие, тем больше константа адсорбционного равновесия.
Известен другой вариант вывода уравнения Ленгмюра - кинетический, в котором основное внимание уделяется скорости наступления динамичного равновесия процессов адсорбции и десорбции. При этом выводе показывается, что константа адсорбционного равновесия равна отношению констант скорости адсорбции и десорбции:
Для анализа изотермы адсорбции по уравнению Ленгмюра воспроизведем типичную изотерму адсорбции по мономолекулярному механизму (рис. 2.26).
Рис. 2.26.
Анализ изотермы мономолекулярной адсорбции :
При очень малых концентрациях, когда с^О, произведением К с в знаменателе можно пренебречь, поэтому получаем А = А СС -Кс или А = К Г ‘С. Полученные соотношения соответствуют закону Генри и коэффициент пропорциональности К г - константа Генри. По закону Генри
величина адсорбции с ростом концентрации на участке АВ увеличивается линейно;
При больших концентрациях или давлениях, когда произведение К-с» 1, адсорбция стремится к предельному значению А = А #. Это соотношение на участке СД отвечает состоянию насыщения поверхности адсорбента молекулами адсорбата, когда вся поверхность адсорбента покрывается мономолекулярным слоем адсорбата;
в области средних концентраций на участке ВС уравнение Ленгмюра применимо в полной форме.
Физический смысл константы Генри, иногда называемый еще константой распределения, поясняют следующие рассуждения. Если поверхностный слой рассматривать как отдельную фазу, то перераспределение вещества между поверхностным слоем и объемом фазы будет происходить до тех пор, пока химические потенциалы обеих фаз не станут равными:
где p s - химический потенциал в поверхностном слое; p v - химический потенциал объемной фазы.
Учитывая, что , для равновесного состояния имеем , откуда
Если в области малых концентраций активности считать равными концентрациям, то поверхностная концентрация равна адсорбции
a s
= с s
= А
и тогда
Из представленных соотношений и полу
чается уравнение Генри: А = Кр-с.
Можно получить подобное выражение через давление, учитывая, что в области малых концентраций газ подчиняется закону состояния идеального газа pV = nRT
, откуда
. Подставляя послед
нее соотношение в уравнение адсорбции, получаем:
Уравнения Генри просты по виду, но иногда их бывает вполне достаточно для практических расчетов. На твердых поверхностях область действия этого закона мала из-за неоднородности поверхности. Но даже на однородной поверхности обнаруживается отклонение от линейной зависимости при увеличении концентрации (давления). Это объясняется уменьшением доли свободной поверхности, приводящим к замедлению роста адсорбции.
Отклонения от закона Генри учитывает эмпирическое уравнение, установленное Фрейндлихом и Бедекером на основе изучения адсорбции газов на твердых адсорбентах. Позднее это уравнение было теоретически обосновано Зельдовичем и оказалось применимым и для растворов.
Теория мономолекулярной адсорбции была создана Ленгмюром при изучении адсорбции газов на твердых поверхностях. Основные положения теории состоят в следующем:
Несмотря на жесткие ограничения, теория широко используется и даст хорошую сходимость с практическими результатами для большого количества видов адсорбции. В настоящее время она распространяется на адсорбцию на других границах раздела.
Теория Ленгмюра объясняет адсорбцию ПАВ на границе вода - воздух, когда полярная группа, обладая большим сродством к полярной фазе, втягивается в воду, в то время как неполярный радикал выталкивается в неполярную фазу (воздух) и при малых концентрациях углеводородные цепи «плавают» на поверхности воды (это возможно из-за их гибкости). С ростом концентрации цепи поднимаются и в насыщенном адсорбционном слое занимают вертикальное положение, при этом поверхность воды сплошь покрыта «частоколом» из вертикально ориентированных молекул ПАВ. Значение поверхностного натяжения в этом случае приближается к значению чистого жидкого ПАВ на границе с воздухом. Максимальная адсорбция Г а0 именно поэтому не зависит от длины углеводородного радикала, а определяется только размерами поперечного сечения молекул.
Существование насыщенных адсорбционных слоев позволяет определять размеры молекул ПАВ. Впервые в истории химии размеры молекул были определены именно коллоидно-химическим путем и уже позже подтверждены другими методами. Поскольку в насыщенном слое молекулы плотно упакованы и имеют вертикальную ориентацию, то можно рассчитать важные характеристики мономолекулярного слоя:
Размер поперечного сечения молекул, то есть площадь, занимаемую одной молекулой ПАВ в поверхностном слое («посадочную площадку»):
Длину молекулы ПАВ, равную толщине адсорбционного слоя:
где N А - число Авогадро, р и М - плотность и молекулярная масса поверхностно-активного вещества.
Для определения постоянных параметров проводят преобразование уравнения Ленгмюра к уравнению прямой линии
Представляя экспериментальные данные в обратных осях или в осях , в первом случае по отрезку, отсекаемому на оси ординат при , определяют величину . Тангенс угла наклона прямой позволяет определить отношение и рассчитать значение пре
дельной адсорбции, по которому можно вычислить адсорбционную константу К . Во втором случае, наоборот, отрезок на ординате связан с величиной обратной предельной адсорбции , а по тангенсу угла наклона
Рассмотрим вариант определения констант уравнения Ленгмюра на примере адсорбции в системе вода - изоамиловый спирт. В таблице представлены экспериментальные данные но величинам поверхностного натяжения о растворов различной концентрации с :
Температура опыта составляет 296 К, при которой поверхностное натяжение воды равно 72,28 мДж/м
Будем применять прием графического дифференцирования, для этого построим изотерму поверхностного натяжения
и рассчитаем величины адсорбции по уравнению Гиббса:
Для упрощения расчетов обозначим через Z величину , тогда ад
сорбция определится выражением
Рис. 2.27.
Величине Z
соответствует отрезок, отсекаемый на ординате касательной и горизонталью, проведенными к точке, соответствующей искомой концентрации. Для примера показано нахождение значения величины Z для точки, соответствующей концентрации 0,125 кмоль/м 3 . В примере значение величины Z равно 3,9 мДж/м 2 . Остальные результаты представлены в табл. 2.3. После этого вычисляем обратные значения концентраций и адсорбций, необходимые для работы с уравнением Ленгмюра в линейном виде:
Таблица 2.3
Обработка экспериментальных данных_
Продолжение табл. 2.3
На рис. 2.28 построен график в «обратных» осях, найти по нему константы уравнению Ленгмюра К и Г " просто, однако еще проще сделать
это с помощью Excel.
В этом случае записываем уравнение зависимости
, из которого
(по графику это от
резок, отсекаемый на ординате при ). Тогда значение предельной составляет Г оо = 2,098 10" 6 моль/м 2 . Это одна из констант уравнения Ленгмюра.
Вторая константа находится из коэффициента перед обратной концентрацией, равного 15500, то есть
. При известном значе
Размерность адсорбционной константы = м 3 /кмоль.
Рис. 2.28.
Запишем окончательно уравнение адсорбции с найденными константами:
Подчеркнем правомерность приравнивание величин избыточной гиббсовской и абсолютной адсорбции, так как теория Ленгмюра распространяется на все поверхности (жидкие и твердые), заполняемые по моно- молекулярному механизму.
По полученным результатам построить изотерму адсорбции в рассматриваемом примере можно двумя путями, подставляя в полученное уравнение концентрации или напрямую строя график по данным первой и третьей колонки табл. 2.3 (рис. 2.29).
Рис. 2.29.
Это является наглядной проверкой правильности проведенных расчетов. Полученное с помошью Excel уравнение имеет величину достоверности аппроксимации, равную 0,99. При нанесении на 1рафик точек, для которых адсорбция рассчитывается по уравнению, обнаруживаются небольшие отклонения по сравнению с расположением точек, для которых адсорбция определяется графическом дифференцированием (из касательных). Это связано с близостью значений предельной адсорбции (2,098-10 6 моль/м 2) и адсорбции при концентрации 0,5 кмоль/м 3 (2,073-10 6 моль/м 2), а так же (в меньшей степени) округлениями при проведении расчетов.
При построении графиков вручную надо обращать внимание на такие практические особенности, как усреднение данных. Линию изотермы нужно проводить плавно, располагая между точками, а не отдельными прямыми линиями между соседними точками (рис. 2.30).
Рис. 2.30.
На рис. 2.30 показано семейство касательных при обработке изотермы адсорбции олеата натрия вручную (на оси ординат поверхностное натяжение с размерностью мДж/м 2).
