Общие положения, Классификация

Адсорбцией называется самопроизвольное изменение концентрации компонента в поверхностном слое по сравнению с его концентрацией в объеме фазы.

Более плотную фазу (определяющую форму поверхности) принято называть адсорбентом, вещество, молекулы которого могут адсорбироваться – адсорбтивом, уже адсорбированное вещество – адсорбатом. Процесс, обратный адсорбции, называют десорбцией.

КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АДСОРБЦИИ

Для количественного описания адсорбции применяют три величины.

1. Избыточная, или гиббсовская адсорбция (Г_i).

Это избыток i-го компонента в поверхностном слое по сравнению с его количеством в объеме фазы, приходящийся на единицу площади поверхности.

(2.9)

где и – молярная концентрация i-го компонента соответственно в поверхностном слое и в объеме фазы, V₃ – объем поверхностного слоя, который принято считать двухмерным и равным 1 см², S_{1, 2} – площадь поверхностного слоя.

Учитывая, что молярная концентрация, умноженная на объем, – это количество вещества,

, моль/дм² (2.10)

2. Абсолютная адсорбция.

В тех случаях, когда способность вещества к адсорбции резко выражена, и вследствие этого > > и > > адсорбцию характеризуют величиной А_i, называемой абсолютной адсорбцией.

, моль/дм² (2.11)

где – количество вещества в поверхностном слое

3. Удельная адсорбция.

В тех случаях, когда измерить площадь поверхности S_{1, 2} трудно, количество i-го компонента (или его массу ) относят к массе адсорбента m, используя величину удельной адсорбции :

моль/кг или кг/кг. (2.12)

Если адсорбтивом является газ, вместо его количества (моль) или массы (кг) применяют его объем, исходя из того, что при нормальных условиях (0°С, 1 атм) 1 моль любого газа занимает объем, равный 22, 4 дм³. Тогда удельная адсорбция измеряется дм³/кг.

Если Г_i, А_i, > 0, адсорбцию называют положительной (в дальнейшем термином «адсорбция» будем называть именно положительную адсорбцию), если Г_i, А_i, < 0, то имеет место отрицательная адсорбция.

КЛАССИФИКАЦИЯ АДСОРБЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ

В зависимости от природы адсорбционных сил, адсорбция может быть физической и химической.

Физическая адсорбция обусловлена силами межмолекулярного взаимодействия.

Вы помните, что если молекулы полярны, возникают ориентационное, индукционное и дисперсионное взаимодействия. В случае неполярных молекул возможны только дисперсионные взаимодействия.

Особенности физической адсорбции:

1. Обратимость. Имеет место динамическое равновесие:

Сорбция Десорбция.

Десорбция обусловлена тепловым движением. Например, при адсорбции уксусной кислоты на угле на поверхности возникает адсорбционный комплекс:

С + СН3СООН С * СН3СООН
адсорбент	адсорбтив	комплекс

При десорбции комплекс разрушается и адсорбтив выделяется в химически неизменном виде.

2. Малая специфичность. На полярных адсорбентах адсорбируются полярные вещества, на неполярных – неполярные.

3. Незначительная теплота адсорбции (теплота, которая выделяется при адсорбции). Она составляет всего 8 – 40 кДж/моль, т. е. соизмерима с теплотой конденсации.

4. С повышением температуры адсорбция уменьшается: < 0 и. так как увеличивается скорость десорбции.

Химическая адсорбция (хемосорбция) возникает в результате химической реакции между адсорбтивом и адсорбентом с образованием нового поверхностного соеди­нения. Процесс происходит только на поверхности адсорбента.

Особенности химической адсорбции:

1. Необратимость. При десорбции с поверхности уходит поверхностное соединение. Десорбция обусловлена какими – то внешними воздействиями.

Например, адсорбция кислорода на угле:

С + О2 С * СО2
адсорбент	адсорбтив	комплекс

При нагревании происходит десорбция:

С*О2 С + СО2
адсорбционный комплекс	новое химическое соединение

2. Специфичность. Адсорбция происходит, только если возможна химическая реакция.

3. Высокая теплота адсорбции, которая может достигать 800 – 1000 кДж/моль, т. е. сопоставима с тепловыми эффектами химических реакций.

4. Повышение температуры приводит к увеличению хемосорбции, так как увеличивается скорость химического взаимодействия.

Рис.2.2. Классификация в зависимости от агрегатного состояния адсорбента и адсорбтива.