Adsorbciya

(ot lat. ad - na, pri i sorbeo - pogloshayu).

Preimushestvennoe koncentrirovanie molekul gaza ili rastvorennogo v zhidkosti veshestva (adsorbata) na poverhnosti zhidkosti ili tverdogo tela (adsorbenta), a takzhe rastvorennogo v zhidkosti veshestva na granice ee razdela s gazovoi fazoi. Chastnyi sluchai sorbcii. Odin iz vazhneishih tipov poverhnostnyh yavlenii.

Yavlenie adsorbcii svyazano s tem, chto sily mezhkmolekulyarnogo vzaimodeistviya na granice razdela faz ne skompensirovany, i, sledovatel'no, pogranichnyi sloi obladaet izbytkom energii - svobodnoi poverhnostnoi energiei. V rezul'tate prityazheniya poverhnost'yu razdela faz nahodyashihsya vblizi nee molekul adsorbata svobodnaya poverhnostnaya energiya umen'shaetsya, t. e. processy adsorbcii energeticheski vygodny.

V zavisimosti ot haraktera vzaimodeistviya molekul adsorbata i adsorbenta razlichayut fizicheskuyu adsorbciyu i hemosorbciyu. Fizicheskaya adsorbciya obuslovlena silami mezhmolekulyarnogo vzaimodeistviya i ne soprovozhdaetsya sushestvennym izmeneniem elektronnoi struktury molekul adsorbata. Fizicheskaya adsorbciya mozhet byt' kak monosloinoi (s obrazovaniem monomolekulyarnogo sloya), tak i polimolekulyarnoi (mnogosloinoi). Pri adsorbcii elektrolitov iz ih rastvorov obychno voznikaet dvoinoi elektricheskii sloi. Esli zhidkii adsorbat smachivaet poristyi adsorbent, to v porah poslednego mozhet proishodit' kapillyarnaya kondensaciya. Pri fizicheskoi adsorbcii adsorbiruemye molekuly obychno obladayut poverhnostnoi podvizhnost'yu.

Pri hemosorbcii mezhdu atomami (molekulami) adsorbenta i adsorbata obrazuetsya himicheskaya svyaz', t. o. hemosorbciyu mozhno rassmatrivat' kak himicheskuyu reakciyu, oblast' protekaniya kotoroi ogranichena poverhnostnym sloem. V nekotoryh sluchayah na odnoi poverhnosti mogut protekat' oba tipa adsorbcii odnovremenno. V sluchae ne slishkom poristyh adsorbentov fizicheskaya adsorbciya imeet mesto, kak pravilo, pri temperatupax nizhe kriticheskoi temperatury kondensacii adsorbata, hemosorbciya zhe chashe vsego protekaet pri gorazdo bolee vysokih temperaturah. Odnako v nekotoryh sistemah fizicheskaya adsorbciya mozhet protekat' pri temperatupax, znachitel'no prevyshayushih kriticheskuyu temperaturu kondensacii adsorbata. Kak i lyubye himicheskie reakcii, processy hemosorbcii nosyat specifichnyi harakter (t.e. adsorbent hemosorbiruet ne lyubye molekuly, a lish' te, kotorye vstupayut v reakciyu s atomami poverhnosti); v nekotoryh sluchayah specifichnost' mozhet proyavlyat'sya i pri fizicheskoi adsorbcii.

Fizicheskie harakteristiki adsorbcii. Kolichestvennoi harakteristikoi adsorbcii yavlyaetsya velichina G, predstavlyayushaya soboi izbytok adsorbata, prihodyashiisya na edinicu ploshadi poverhnostnogo sloya, po sravneniyu s kolichestvom adsorbata v edinicu ob'ema fazy adsorbenta. Otnoshenie , nazyvaetsya stepen'yu (ili dolei) pokrytiya poverhnosti ( - predel'no vozmozhnaya velichina monosloinoi adsorbcii dlya dannoi sistemy).

Processy adsorbcii pochti vsegda soprovozhdayutsya vydeleniem teploty, nazyvaemoi teplotoi adsorbcii, kotoraya vozrastaet s uvelicheniem prochnosti svyazi adsorbat-adsorbent i sostavlyaet obychno 8-25 kDzh/mol' (inogda do 80 kDzh/mol') dlya fizicheskoi adsorbcii i, kak pravilo, prevyshaet 80 kDzh/mol' pri hemosorbcii. Esli hemosorbciya soprovozhdaetsya dissociaciei adsorbiruemyh molekul, mozhet nablyudat'sya pogloshenie tepla. Po mere zapolneniya poverhnosti teplota adsorbcii obychno umen'shaetsya v rezul'tate neodnorodnogo raspredeleniya svobodnoi energii na poverhnosti ili lateral'nogo vzaimodeistviya molekul v adsorbiruyushem sloe. Dlya adsorbentov, obladayushih neskol'kimi tipami adsorbiruyushih centrov (sm. nizhe), teplota adsorbcii mozhet byt' razlichnoi dlya raznyh tipov centrov, i raspredelenie svobodnoi energii na poverhnosti yavlyaetsya diskretno-neodnorodnym. Pri perehode k polimolekulyarnoi adsorbcii teplota adsorbcii ponizhaetsya do velichiny, blizkoi k teplote kondensacii adsorbata. Esli teplota adsorbcii sravnima s poverhnostnoi energiei adsorbenta, to v processe addsorbcii mozhet sushestvenno menyat'sya kristallicheskaya struktura poverhnosti tverdogo tela, prichem pri fizicheskoi adsorbcii perestroike podvergayutsya v osnovnom poverhnosti molekulyarnyh kristallov, a v sluchae hemosorbcii izmenenie poverhnostnoi struktury nablyudaetsya dazhe dlya metallov i ionnyh kristallov.

Obratnyi adsorbcii process, pri kotorom adsorbiruemye chasticy pokidayut poverhnost' adsorbenta, nazyvaetsya desorbciei. Desorbciya proishodit v rezul'tate kolebatel'nyh dvizhenii adsorbirovannyh molekul vdol' napravleniya deistviya sily prityazheniya mezhdu adsorbatom i adsorbentom. Period takih kolebanii obychno sostavlyaet s. Skorost' adsorbcii i skorost' desorbcii mogut byt' rasschitany metodami statisticheskoi termodinamiki. Skorost' medlennyh processov hemosorbcii v bol'shinstve sluchaev opisyvaetsya uravneniem

gde q - kolichestvo adsorbiruemogo veshestva, a - konstanty, zavisyashie ot temperatury. Pri ravenstve skorostei adsorbcii i desorbcii ustanavlivaetsya adsorbcionnoe ravnovesie. Srednyaya prodolzhitel'nost' vremeni, kotoroe chastica nahoditsya v adsorbirovannom sostoyanii v ravnovesnyh usloviyah (vremya adsorbcii), , gde Q - teplota adsorbcii, R - universal'naya gazovaya postoyannaya, T - absolyutnaya temperatura. Prinyato schitat', chto adsorbciya imeet mesto v tom sluchae, kogda dostigaet velichiny neskol'kih periodov kolebanii adsorbirovannoi molekuly - vremya, za kotoroe mezhdu nei i poverhnost'yu uspevaet ustanovit'sya energeticheskoe ravnovesie. Obychno vremya fizicheskoi adsorbcii sostavlyaet s, a vremya hemosorbcii - svyshe s. Vremya adsorbcii sluzhit kriteriem obratimosti processa adsorbcii.