Рассмотрение теоретических основ адсорбции, ее видов и роли в дисперсных системах. Описание адсорбции на границе жидкость-газ, раствор-газ, твердое тело-раствор, твердое тело-газ. Правила полимолекулярной сорбции. Стабилизация дисперсных систем.
Аннотация к работе
Министерство образования и науки Российской Федерации Российский государственный университет нефти и газа имени И.М. Кафедра физической и коллоидной химииНаибольшее практическое значение имеет адсорбция поверхностно-активных веществ и адсорбция примесей из газа либо жидкости специальными высокоэффективными адсорбентами.Одним из основных поверхностных явлений в коллоидных системах, обладающих поверхностью, является адсорбция. Адсорбция - протекание процесса сорбции только на поверхности, увеличивается концентрация вещества на границе раздела фаз. Вещество, на поверхности которого идет адсорбция, называется адсорбентом, т.е. адсорбент - это вещество, адсорбирующее другое вещество. 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.Адсорбция является локализованной и обеспечивается силами, близкими к химическим, таковыми Лэнгмюр считал все силы, обеспечивающие когезионную прочность вещества. Адсорбция протекает на активных центрах поверхности. Адсорбция сопровождается десорбцией, т.е. молекулы могут через время отрываться от поверхности. Процесс адсорбции представляется как образование адсорбционного комплекса между адсорбентом и адсорбтивом: Исходя из приведенных положений Лэнгмюр получил уравнение адсорбции, которое имеет вид: (гиперболическая функция) где - величина адсорбции; емкость адсорбционного монослоя, или число адсорбционных центров, приходящихся на единице площади поверхности или на единицу массы адсорбента.Такой вид изотерм свидетельствует о том, что связывание адсорбтива адсорбентом не прекращается после образования мономолекулярного слоя, т.е. свидетельствует о полимолекулярной сорбции. Адсорбция обусловлена чисто физическими силами. Адсорбционные силы действуют вблизи от поверхности и образуют около этой поверхности непрерывное силовое поле. Адсорбционные силы действуют на сравнительно большие расстояния, благодаря чему образуется у поверхности адсорбента адсорбционный объем. Притяжение молекулы адсорбтива поверхностью не зависит от наличия в адсорбционном, пространстве других молекул.Очевидно, изза равноценности всех участков поверхности жидкости и теплового движения ее молекул нельзя также говорить о каком-нибудь закреплении молекул адсорбтива в определенных местах. Целесообразнее рассматривать явления с термодинамических позиций и связывать адсорбцию растворимого вещества с изменением свободной энергии поверхности или ее поверхностного потенциала. Поверхностное натяжение является следствием существования внутреннего давления - силы втягивающей молекулы внутрь жидкости и направленной перпендикулярно поверхности.Выше были рассмотрены представления о поверхностном натяжении индивидуальных жидкостей. Количественно соотношение между адсорбцией растворимого вещества (в кмоль на 1 м2 поверхности) и изменением поверхностного натяжения (s) с концентрацией раствора С (кмоль/м3) определяется уравнением Гиббса: Из уравнения следует, что при 0, т.е. происходит накопление вещества в поверхностном слое; при >О Г< 0 - уменьшение концентрации вещества в поверхностном слое ( - поверхностная активность). Все растворимые вещества по их способности адсорбироваться на границе жидкость-воздух можно разделить на две группы: - поверхностно-активные вещества (Г >0 <0); Поверхностно-активные вещества способны накапливаться в поверхностном слое. Они должны обладать поверхностным натяжением меньшим поверхностного натяжения растворителя (иначе накопление вещества на поверхности термодинамически невыгодно) и сравнительно малой растворимостью (иначе они бы стремились уйти с поверхности в глубь раствора).Адсорбция на границе твердое тело-раствор усложняется наличием третьего компонента - среды (растворителя), молекулы которого могут также адсорбироваться на поверхности адсорбента и являются конкурентами молекул адсорбтива.Количество вещества А, молекулярно адсорбируемое 1 г адсорбента из раствора, вычисляют по уравнению (моль/г): где - начальная и равновесная концентрации адсорбтива, моль/л; объем раствора, из которого происходит адсорбция, л; Зависимость молекулярной равновесной адсорбции из раствора на твердом теле от концентрации адсорбтива характеризуется изотермой адсорбции. Так как молекулы адсорбтива и среды являются конкурентами, то, очевидно, чем хуже будет сорбироваться среда на адсорбенте, тем лучше будет происходить адсорбция растворимого вещества.Адсорбция электролитов требует отдельного рассмотрения, так как адсорбент может по разному адсорбировать ионы, на которые распадается молекула электролита в растворе. Ионы, способные поляризоваться, сорбируются обычно только на поверхностях, состоящих из полярных молекул или ионов.