Студопедия Главная Случайная страница Обратная связь

Разделы: Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Адсорбция, как поверхностное явление. Физическая и химическая адсорбция




Истинно коллоидные дисперсные системы в процессе своего образования термодинамически неустойчивы вследствие наличия большого запаса избыточной поверхностной энергии Gs=σ·S, которая самопроизвольно стремится уменьшится, тем самым переводя систему в более устойчивое состояние. Понижение Gs возможно при уменьшении межфазной поверхности (при понижении дисперсности) или при понижении поверхностного натяжения σ. К поверхностным явлениям, происходящим вследствие стремления дисперсной системы к самопроизвольному снижению поверхностного натяжения, относится адсорбция. Это процесс самопроизвольного перераспределения компонентов системы между поверхностным слоем и объемной фазой. Результатом такого перераспределения является сгущение одного или нескольких компонентов системы на границе раздела фаз. В этом случае компонент, который сгущается (адсорбируется) на поверхности, называется адсорбатом, а вещество, на поверхности которого идет адсорбция, называется адсорбентом.

Для количественного описания процесса адсорбции используется две величины, обозначаемые Г и А, имеющие одинаковую размерность [моль/м2] или [кг/м2] или [кг/кг], но разный смысл. А – величина абсолютной адсорбции; Г – величина гиббсовской адсорбции, т.е. избыток вещества в поверхностном слое по сравнению с его количеством в таком же объеме соответствующей фазы, отнесенный к единице поверхности или единице массы адсорбента. Т.о. Г – величина избыточная.

В результате адсорбции происходит перераспределение компонентов между объемом и поверхностным слоем, что влечет за собой изменение их химических потенциалов в системе, потому этот процесс можно рассматривать как превращение свободной избыточной энергии в энергию химическую.

Фундаментальное адсорбционное уравнение Гиббса: ;показывает самопроизвольное снижение удельной поверхностной энергии по мере изменения химического потенциала.

Для одного компонента уравнение примет вид:

Для разбавленных растворов: .

Для адсорбции из газовой фазы , если .

 

Различают физическую и химическую адсорбцию. Физическая адсорбция обусловлена молекулярными или ван-дер-ваальсовыми силами. Физическая адсорбция увеличивается с повышением концентрации (давления) адсорбата и уменьшается с повышением температуры. Тепловой эффект, сопровождающий физическую адсорбцию, соизмерим с тепловыми эффектами фазовых превращений - испарением и плавлением. Химическая адсорбция или хемосорбция обусловлена химическими (ионными, ковалентными, координационными) силами. При такой адсорбции абсорбат образует на поверхности адсорбента химические соединения с его молекулами. Скорость химической адсорбции увеличивается с повышением температуры, что связано с наличием для химической адсорбции энергии активации. Поэтому химическую адсорбцию часто называют активированной. Химическая адсорбция также сопровождается тепловым эффектом. Его величина соизмерима с тепловыми эффектами химических реакций.

11. Адсорбция на гладких поверхностях и пористых адсорбентах. Капиллярная конденсация.

адсорбция – самопроизвольное перераспределение компонентов системы м/д поверхностным слоем и объемной фазой. Это процесс чаще всего наблюдается на границе твердое тело/газ или твердое тело/жидкость или жидкость/газ. Примерами адсорбции являются улавливание паров и газов твердыми адсорбентами (активированным углем, силикагелем бентонитом - глина), осветление растворов в производстве сахара, глюкозы, процесс окрашивания волос также основан на адсорбции. Удаление сивушных масел и некоторых ионов в производстве вина, удаление солей кальция из коровьего молока, осветление мясных и рыбных бульонов основано на адсорбции. Адсорбция обусловлена наличием адсорбционных сил, имеющих различную природу – межмолекулярные (ванн-дер-ваальсовы) и химические (ионные, ковалентные), и действующих между атомами и молекулами, находящимися на поверхности. То вещество, на поверхности которого идет адсорбция называется адсорбентом (поглотителем), а вещество, которое адсорбируется (поглощается) – адсорбатом. Адсорбция зависит от концентрации компонентов и температуры.

Под адсорбцией на твердых поверхностях подразумевается поглощение газов и компонентов жидких растворов на этих поверхностях. Принципиально важные для адсорбции особенности твердых поверхностей – это их шероховатость, наличие трещин, пор, царапин. Идеально гладкие твердые поверхности это редкость. Адсорбция а на твердой поверхности выражается не количеством адсорбированного вещества на единицу площади, а количеством вещества на единицу массы адсорбента:

В качестве твердых адсорбентов используют пористые тела.

Классификация пористых тел:(М.М.Дубинин)

1)макропористые тела - поры намного больше адсорбируемых молекул, стенки пор рассматриваются как ровные поверхности, как транспортные каналы; адсорбцией пренебрегают

2)переходнопористые – на стенках этих пор при малых давлениях происходит полимолекулярная адсорбция паров, которая с увеличением давления заканчивается капиллярной конденсацией.(силикагели,алюмогели)

3)микропористые – близкое расположение стенок, их поля поверхностных сил перекрываются и они действуют во всем объеме микропор.(цеолиты, некоторые активные угли)

Влияние структуры пористого тела на адсорбцию обусловлено проявлением капиллярных сил. Появление этого связано со сродством адсорбата к адсорбенту, сродство должно быть достаточно для смачивания поверхности твердого тела жидкостью, появляющейся в результате конденсации в порах. Только в случае смачивания адсорбент будет втягивать в поры адсорбат, увеличивая тем самым адсорбцию. Чем меньше размер пор, тем сильнее капиллярное удерживание адсорбата. Если поверхность не смачивается, то наблюдается явление капиллярного выталкивания, адсорбция в этом случае минимальна и возможна только в крупных порах. Адсорбция в переходнопористых телах происходит по механизму капиллярной конденсации. Капиллярная конденсация начинает проявляться при определенной степени заполнения адсорбента или при определенном давлении пара, характерном для данной системы. К этому моменту поверхностная энергия адсорбции практически полностью скомпенсирована в результате полимолекулярной адсорбции, а макропоры заполнены адсорбатом. В результате повышения давления пара заполняются конденсатом все крупные поры. Размеры радиусов менисков подчиняются уравнению капиллярной конденсации Кельвин: ln(ps/p)=2σVm/(rRT)

где р - давление пара над искривленным мениском;

рs - давление насыщенного пара над плоской поверхностью;

r - радиус кривизны мениска.

Пористая структура адсорбента имеет 3 вида пор:

*конусообразные – конденсация начинается со дна пор; необходимо повышать давление пара, что заполнить поры

*цилиндрические с одном открытым концом – со дна пор, пора заполняется полностью – давление пара постоянно

*----------- с 2 ------- - заполнение поры при большом давлении пара.

Уравнение Кельви для капиллярной конденсации позволяет его использовать для расчета функции распределения пор по размерам и заключается в построении интегральных(зависимость общего объема пор от их радиуса) и дифференциальных кривых распределения.

 

 







Дата добавления: 2015-04-19; просмотров: 1575. Нарушение авторских прав


Рекомендуемые страницы:


Studopedia.info - Студопедия - 2014-2020 год . (0.002 сек.) русская версия | украинская версия