Причина адсорбції - студопедія

Слід розрізняти терміни "адсорбція" і "абсорбція". На відміну від адсорбції абсорбція є поглинання речовини не поверхнею, а всім об'ємом фази. Прикладами є розчинення газу в рідині (наприклад, морська і річкова вода завжди містить певну кількість кисню, що забезпечує життєдіяльність тварин і рослинних організмів; соляна кислота утворюється при абсорбції хлористого водню у воді) або твердому тілі, наприклад, в металі (абсорбція водню в паладії) . Обидва терміни - адсорбція і абсорбція походять від латинського слова sorbeo, яке означає "поглинаю", "втягую". Тому, коли не потрібно розрізняти характер поглинання - поверхневий або об'ємний, або коли цей характер змішаний, або, нарешті, він невідомий - вживають термін "сорбція".

На рис. 1.1 перераховані похідні терміни, відповідні рекомендації Міжнародного союзу по чистої та прикладної хімії. Речовина-поглинач називають сорбентом.

Якщо хочуть при цьому вказати характер поглинання, то вживають терміни "адсорбент" або "абсорбент". Поглинається речовина, що знаходиться в газовому середовищі, називають сорбтівом (відповідно, адсорбтивом або абсорбтівом), в адсорбційної фазі - сорбатом (відповідно, адсорбатом або абсорбатамі).

Які причини, що викликають адсорбцію? Розглянемо це питання на прикладі системи газ - тверде тіло. Атоми і молекули, що утворюють тверде тіло, пов'язані між собою силами взаємодії хімічної та фізичної природи. Це електростатичні або кулонівських зв'язку, типові для іонних решіток (NaCl, КС1 і ін.), Що виникають в результаті передачі електронів від донора до акцептора; ковалентні зв'язки, що виникають при обміні електронів (атомні решітки алмазу, графіту); металеві зв'язки, обумовлені обобществлением електронів в решітці металу; ван-дер-ваальсові зв'язку між молекулами в кристалах органічних сполук. Хоч би яка була природа цих сил, частки (атоми або молекули), розташовані всередині твердого тіла, піддаються дії однакових сил в усіх напрямках і рівнодіюча цих сил дорівнює нулю. Частинки ж, розташовані на поверхні, знаходяться під дією неврівноважених сил, причому їх рівнодіюча спрямована всередину твердого тіла поверхню тіла прагне до скорочення. Тому тверді тіла, як і рідкі, мають поверхневий натяг, причому величина його у твердих тіл більше, ніж у рідких. В результаті неврівноваженості сил у поверхні виникає силове поле. Молекули газу, вдаряючись об поверхню, утримуються деякий час в цьому силовому полі, що і призводить до явища адсорбції.

Термодинамічний опис цього явища здійснюється через вираження вільної поверхневої енергії Гіббса G,

де А - величина поверхні, а # 963; - поверхневий натяг.

Будь-який процес, що веде до зменшення вільної поверхневої енергії, є мимовільним. Для краплі рідини це зменшення досягається скороченням величини поверхні - вона приймає сферичну форму. Для твердого тіла - жорсткої системи - скорочення А неможливо. Для нього G зменшується за рахунок поверхневого натягу. Атоми або молекули газу, абсорбуючись на поверхні, компенсують деяку частину неврівноважених сил і тим самим зменшують поверхневий натяг. Отже, причина адсорбції - ненасишенность поверхневих атомів і молекул твердого тіла - особливий стан, в якому перебувають його частки на поверхні в порівнянні з їх станом всередині обсягу фази.

2.2. Тепловий ефект адсорбції

Щоб з'ясувати знак теплового ефекту адсорбційних процесів, розглянемо відоме термодинамічне співвідношення

тут # 916; H - зміна поверхневої ентальпії системи, # 916; G-зміна її поверхневої вільної енергії, # 916; S - зміна поверхневої ентропії, T - абсолютна температура. У разі самовільного процесі адсорбції G зменшується. Ентропія при адсорбції також зменшується, оскільки число ступенів свободи у молекули на поверхні зменшується в порівнянні з її станом в газовій фазі. Воно може скоротився на одну поступальну ступінь для нелокалізованной адсорбції або на три - для локалізованої. Число обертальних ступенів свободи також може зменшитися для несферичних молекул. Оскільки в правій частині рівняння (2.2) обидва члени при адсорбції мають негативне значення, отже, і зміна ентальпії також має знак мінус, тобто тепловий ефект знак плюс. Це означає. що при адсорбції повинна виділятися теплота. Дійсно, практично всі адсорбційні процеси екзотермічни. Винятки дуже рідкісні, вони знайдені лише для кількох випадків хемосорбції, для якої зміни ентропії залежать не тільки від зміни характеру руху молекул, а й від хімічної взаємодії з адсорбентом.