Адсорбция

Адсорбция (лат. ad — на, при, в; sorbeo — поглощаю) — самопроизвольный процесс увеличения концентрации растворённого вещества у поверхности раздела двух фаз (твёрдая фаза — жидкость, конденсированная фаза — газ) вследствие нескомпенсированности сил межмолекулярного взаимодействия на разделе фаз^[1]. Адсорбция является частным случаем сорбции, процесс, обратный адсорбции — десорбция^[2].

Основные понятия

Поглощаемое вещество, ещё находящееся в объёме фазы, называют адсорбтив, поглощённое — адсорбат. В более узком смысле под адсорбцией часто понимают поглощение примеси из газа или жидкости твёрдым веществом (в случае газа и жидкости) или жидкостью (в случае газа) — адсорбентом. При этом, как и в общем случае адсорбции, происходит концентрирование примеси на границе раздела адсорбент-жидкость либо адсорбент-газ. Процесс, обратный адсорбции, то есть перенос вещества с поверхности раздела фаз в объём фазы, называется десорбция. Если скорости адсорбции и десорбции равны, то говорят об установлении адсорбционного равновесия. В состоянии равновесия количество адсорбированных молекул остается постоянным сколько угодно долго, если неизменны внешние условия (давление, температура и состав системы)^[3].

Адсорбция и хемосорбция

На поверхности раздела двух фаз помимо адсорбции, обусловленной в основном физическими взаимодействиями (главным образом это Ван-дер-Ваальсовы силы), может идти химическая реакция. Этот процесс называется хемосорбцией. Чёткое разделение на адсорбцию и хемосорбцию не всегда возможно. Одним из основных параметров, по которым различаются эти явления, является тепловой эффект: так, тепловой эффект физической адсорбции обычно близок к теплоте сжижения адсорбата, тепловой эффект хемосорбции значительно выше. Кроме того, в отличие от адсорбции, хемосорбция обычно является необратимой и локализованной, то есть происходит на определённых местах — активных центрах. Примером промежуточных вариантов, сочетающих черты и адсорбции, и хемосорбции, является взаимодействие кислорода на металлах и водорода на никеле: при низких температурах они адсорбируются по законам физической адсорбции, но при повышении температуры начинает протекать хемосорбция.

Схожие явления

В предыдущем разделе говорилось о случае протекания гетерогенной реакции на поверхности — хемосорбции. Однако бывают случаи гетерогенных реакций по всему объёму, а не только на поверхности: это обычная гетерогенная реакция. Поглощение по всему объёму может проходить и под воздействием физических сил. Этот случай называется абсорбцией.

Виды взаимодействий	Взаимодействия только на поверхности	Взаимодействия по всему объёму
Физические	Адсорбция	Абсорбция
Химические	Хемосорбция	Гетерогенная реакция

Физическая адсорбция

Модели физической адсорбции
Образование монослоя	Энергетическая диаграмма

Рис. 1: a) адсорбент, b) адсорбат, c) адсорбтив (газовая фаза или раствор)	Рис. 2: a) адсорбент, b) адсорбат, c) газовая фаза, d - расстояние, E - энергия, E_b - энергия адсорбции, (1) десорбция, (2) адсорбция
Поликонденсация	Избирательная адсорбция

Рис. 3: a) адсорбент, b) адсорбат, c) конденсат, d) адсорбтив (газовая фаза или раствор)	Рис. 4: a) адсорбент, b) адсорбат, c) адсорбтивы (газовая фаза или раствор): показана преимущественная адсорбция частиц голубого цвета

Причиной адсорбции являются неспецифические (то есть не зависящие от природы вещества) Ван-дер-Ваальсовы силы. Адсорбция, осложнённая химическим взаимодействием между адсорбентом и адсорбатом, является особым случаем. Явления такого рода называют хемосорбцией и химической адсорбцией. «Обычную» адсорбцию в случае, когда требуется подчеркнуть природу сил взаимодействия, называют физической адсорбцией.

Физическая адсорбция является обратимым процессом, условие равновесия определяется равными скоростями адсорбции молекул адсорбтива P на вакантных местах поверхности адсорбента S^* и десорбции — освобождения адсорбата из связанного состояния S − P:

S^{*}+P\leftrightarrow S-P

;

уравнение равновесия в таком случае:

K={\frac {[S-P]}{[S^{*}][P]}}

,

где K — константа равновесия, [S − P] и [S^*] — доли поверхности адсорбента, занятые и незанятые адсорбатом, а [P] — концентрация адсорбтива.

Количественно процесс физической мономолекулярной адсорбции в случае, когда межмолекулярным взаимодействием адсорбата можно пренебречь, описывается уравнением Ленгмюра:

\theta ={\frac {\alpha \cdot P}{1+\alpha \cdot P}}

,

где $\theta$ — доля площади поверхности адсорбента, занятая адсорбатом, $\alpha$ — адсорбционный коэффициент Ленгмюра, а P — концентрация адсорбтива.

Поскольку $[S-P]=\theta$ и, соответственно, $[S^{*}]=1-\theta$ , уравнение адсорбционного равновесия может быть записано следующим образом:

K={\frac {\theta }{(1-\theta )P}}

Уравнение Ленгмюра является одной из форм уравнения изотермы адсорбции. Под уравнением изотермы адсорбции (чаще применяют сокращённый термин — изотерма адсорбции) понимают зависимость равновесной величины адсорбции от концентрации адсорбтива a=f(С) при постоянной температуре (T=const). Концентрация адсорбтива для случая адсорбции из жидкости выражается, как правило, в мольных либо массовых долях. Часто, особенно в случае адсорбции из растворов, пользуются относительной величиной: С/С_s, где С — концентрация, С_s — предельная концентрация (концентрация насыщения) адсорбтива при данной температуре. В случае адсорбции из газовой фазы концентрация может быть выражена в единицах абсолютного давления, либо, что особенно типично для адсорбции паров, в относительных единицах: P/P_s, где P — давление пара, P_s — давление насыщенных паров этого вещества. Саму величину адсорбции можно выразить также в единицах концентрации (отношение числа молекул адсорбата к общему числу молекул на границе раздела фаз). Для адсорбции на твёрдых адсорбентах, особенно при рассмотрении практических задач, используют отношение массы или количества поглощённого вещества к массе адсорбента, например мг/г или ммоль/г.

Значение адсорбции

Адсорбция — всеобщее и повсеместное явление, имеющее место всегда и везде, где есть поверхность раздела между фазами. Наибольшее практическое значение имеет адсорбция поверхностно-активных веществ и адсорбция примесей из газа либо жидкости специальными высокоэффективными адсорбентами. В качестве адсорбентов могут выступать разнообразные материалы с высокой удельной поверхностью: пористый углерод (наиболее распространённая форма — активированный уголь), силикагели, цеолиты, а также некоторые другие группы природных минералов и синтетических веществ. Адсорбционные свойства грунтов является важной характеристикой для инженерной геологии.

Адсорбция (особенно хемосорбция) имеет также важное значение в гетерогенном катализе. Пример адсорбционных установок приведён на странице азотные установки.

Установка для проведения адсорбции называется адсорбер.

См. также

В Викисловаре есть статья «адсорбция»

Примечания

↑ adsorption // IUPAC Gold Book (неопр.). Дата обращения: 16 января 2013. Архивировано 27 ноября 2012 года.
↑ desorption // IUPAC Gold Book (неопр.). Дата обращения: 16 января 2013. Архивировано 24 октября 2012 года.
↑ Саранин Александр Александрович, Смирнов Андрей Валентинович. Адсорбция: словарь нанотехнологических терминов (неопр.). Роснано (CC-BY-SA 3.0). Дата обращения: 20 марта 2012. Архивировано 31 мая 2012 года.

Литература

Фролов Ю. Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы. - М.: Химия, 1989. - 464 с.
Кельцев Н. В. Основы адсорбционной техники. - М.: Химия, 1984. - 592 с.
Грег С., Синг К. Адсорбция, удельная поверхность, пористость. - М.: Мир, 1984. - 310 с.*
Адамсон А. Физическая химия поверхностей. – М.: Мир. 1979. – 568 с.
Оура К., Лифшиц В. Г., Саранин А. А. и др. Введение в физику поверхности / Под ред. В. И. Сергиенко. — М.: Наука, 2006. — 490 с.
Карнаухов А.П. Адсорбция. Текстура дисперсных и пористых материалов. — Новосибирск: Наука. 1999. — 470 с.
Химическая энциклопедия. Т. 1. — М.: Советская энциклопедия, 1990. — 623 с.
Полторак О.М. Термодинамика в физической химии. — М.: Высшая школа, 1991. — 319 с.
Берёзкин В.И. Введение в физическую адсорбцию и технологию углеродных адсорбентов. — СПб.: Виктория плюс, 2013. — 409 с. — ISBN 978-5-91673-128-6

Ссылки

Адсорбция // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.

[1] sorption // IUPAC Gold Book (неопр.). Дата обращения: 16 января 2013. Архивировано 27 ноября 2012 года.

[2] sorption // IUPAC Gold Book (неопр.). Дата обращения: 16 января 2013. Архивировано 24 октября 2012 года.

[3] Саранин Александр Александрович, Смирнов Андрей Валентинович. Адсорбция: словарь нанотехнологических терминов (неопр.). Роснано (CC-BY-SA 3.0). Дата обращения: 20 марта 2012. Архивировано 31 мая 2012 года.

[1]

[2]

[3]