Лекция 7.Поверхностные явления. Адсорбция

Основные определения.

Изотерма адсорбции. Причины адсорбции.

Теории адсорбции.

Частные случаи адсорбции.

Одним из основных поверхностных явлений в коллоидных системах, обладающих поверхностью, является адсорбция. С адсорбцией связаны коагуляция, пептизация, изменение знака заряда частиц и другие явления.

Адсорбцией называется концентрирование газообразного или растворенного вещества на поверхности раздела фаз.

Различают понятия: сорбция, адсорбция, абсорбция.

Сорбция - поглощение каким-либо веществом других веществ.

Адсорбция - протекание процесса сорбции только на поверхности, увеличивается концентрация вещества на границе раздела фаз.

Абсорбция - поглощение вещества всем объемом другого вещества. При абсорбции поглощаемое вещество диффундирует вглубь абсорбента

Вещество, на поверхности которого идет адсорбция, называется адсорбентом, т.е. адсорбент - это вещество, адсорбирующее другое вещество.

Вещество, которое адсорбируется, называется адсорбтивом или адсорбатом.

Адсорбция Г выражается количеством адсорбтива (адсорбата) в молях, адсорбировавшегося на поверхности адсорбента, площадью 1 м²: (моль/м²) или (моль/кг) - если площадь трудно рассчитать.

Для определения адсорбции необходимо найти экспериментально давление газа или количество адсорбтива в объеме, в котором происходит адсорбция, до и после адсорбции. Чаще всего адсорбцию определяют по привесу адсорбента.

Общую термодинамическую теорию адсорбции разработал в конце XIX века Гиббс. В XX веке адсорбцию исследовали: Лэнгмюр, Поляни, Брунауэр, Гурович, Шилов, Дубинин и др.

Различают адсорбцию физическую и химическую.

Физическая адсорбция обеспечивается силами Ван-дер-Ваальса, протекает самопроизвольно, молекулы адсорбтива могут перемещаться по поверхности (нелокализованная адсорбция), характеризуется обратимостью, отсутствием стехиометрических соотношений, уменьшением адсорбции при повышении температуры, сопровождается десорбцией. Процессы адсорбции и десорбции находятся в равновесии: адсорбция « десорбция.

Химическая адсорбция или хемосорбция обусловлена химическим взаимодействием адсорбента с адсорбтивом. Молекулы адсорбтива не могут перемещаться по поверхности адсорбента. Необратима. Тепловой эффект близок к энергии образования химических соединений. Повышение температуры способствует хемосорбции.

Адсорбцию чаще всего характеризуют зависимостью количества адсорбируемого вещества а от концентрации или давления при Т = соnst. Эти зависимости называются изотермами адсорбции.

На изотерме можно выделить три участка:

1-й - адсорбция пропорциональна концентрации вещества;

3-й участок - поверхность насыщена адсорбтивом;

2-й участок - промежуточное состояние.

Изотерма адсорбции по виду напоминает параболу.

	а

Рис. 7.1. Изотермы адсорбции.

Для аналитического выражения изотермы, Фрейндлих предложил эмпирическое уравнение вида:

где - равновесное давление газа в системе;

К и п - константы.

Для сорбции твердого вещества из раствора:

где с - равновесная концентрация;

п находится в пределах 0,1 - 0,5 и характеризует степень приближения изотермы к прямой.

Физический смысл константы К становится ясным, если принять с=1. Тогда К представляет собой величину адсорбции при равновесной концентрации адсорбтива, равной 1 моль/л.

Адсорбция обусловлена разными причинами.

Физическая сорбция осуществляется за счет сил Ван-дер-Ваальса между электронейтральными молекулами (1-10 кДж/моль).

Различают полярные и неполярные силы Ван-дер-Ваальса, проявление которых зависит от полярности молекул. Полярные силы делят на электростатические и индукционные.

К электростатическим относят силы, возникающие между молекулами, имеющими постоянный дипольный момент.

Индукционные силы также имеют электростатическую природу, но возникают между молекулой, имеющей постоянный дипольный момент, и неполярной молекулой, в которой индуцируется дипольный момент под действием первой полярной молекулы.

Неполярные (дисперсионные) силы возникают между неполярными молекулами и имеют сложную квантовомеханическую природу. Происхождение этих сил следующее: в неполярной молекуле можно выделить один электрон и рассмотреть его движение относительно ядер. Вследствие того, что электрон движется на некотором расстоянии от ядер, в молекуле в каждый момент времени возникает диполь, индуцирующий диполь в соседней молекуле.

Все виды Ван-дер-Ваальсового взаимодействия убывают пропорционально расстоянию между молекулами в шестой степени, т.е. для них характерен закон " ".

Чаще всего возникают все виды Ван-дер-Ваальсового взаимодействия одновременно, но с разной долей участия каждого вида. Вклад каждого из взаимодействий оценить сложно. Но качественно можно оценить виды сорбционного взаимодействия, зная строение адсорбента и адсорбтива.

Причиной адсорбции, близкой к физической, может быть также образование водородной связи. Атом водорода имеет значительно меньшие размеры, чем другие атомы и поэтому его ядро может подходить особенно близко к неподеленным парам электронов других атомов.

С этим связаны два важных свойства атома водорода.

Первое свойство заключается в большой подвижности водорода связанного с электроотрицательными атомами, имеющими неподеленную пару электронов (группа азота, кислорода, фтора). Связанный с этими атомами водород очень мало экранирован и к нему близко может подойти другой электроотрицательный атом, имеющий активную неподеленную пару электронов. Энергия электростатического притяжения между ними оказывается соизмеримой с энергией прежней связи.

Второе свойство заключается в том, что при сближении двух молекул до расстояния, допускающего переход протона, последний притягивается к обеим атомам и удерживает один ковалентной, а другой водородной связью, причем, между ними может происходить перемещение по схеме:

Вследствие этого, водородную связь рассматривают как донорно-акцепторную или как промежуточный тип связи между химической и физической связями.

Водородная связь невелика — 2-10 ккал/моль, но играет эта связь чрезвычайно важную роль, так как суммарно может равняться химической. Например, в полиуретанах, где суммарно величина водородных связей может составлять 100 -200 ккал/моль.

Водородную связь обеспечивают группы:

В качестве донора электронов может выступать p-электронное облако двойных алифатических связей >С=С< или ароматической системы:

Вода удерживается на поверхностях за счет водородной связи.

Гидроксилированная поверхность силикагеля удерживает воду по схеме:

При адсорбции полимера, например, из водных растворов вода может играть роль активного конкурента полимера. Поэтому концентрация полимера должна быть значительно завышена, чтобы обеспечить его преимущественную сорбцию.

Водородную связь обнаруживают с помощью ИК-спектров.

Различают адсорбцию на поверхности раздела следующих фаз:

1) газ - твердое тело;

2) газ - раствор;

3) твердое тело - раствор;

4) адсорбция на поверхности двух несмешивающихся жидкостей (жидкость - раствор).