15.3 Адсорбція пар на поверхні рідин

Адсорбція – це самочинний процес накопичення речовини на поверхні рідини. Адсорбція ПАР відбувається в поверхневому шарі рідини, який називають адсорбційним. Вивчення будови адсорбційних шарів показало, що вони складаються з одного ряду молекул, орієнтованих певним чином. У полярних розчинниках, таких як вода, функціональні групи розміщуються на поверхні розчину, а вуглеводневі радикали повернені в бік повітря (рис. 15.4). У неполярних розчинниках орієнтація молекул ПАР протилежна: радикали повернені в бік рідини, а функціональні групи – в бік повітря.

Рисунок 15.4 – Адсорбція молекул

ПАР на поверхні полярної рідини

Адсорбція ПАР на поверхні рідин розраховується за термодинамічним рівнянням Гіббса:

, (15.2)

де Г – адсорбція, моль/м²; С – концентрація розчину ПАР, моль; R – універсальна газова стала; Т – температура, К; ds/dC – поверхнева активність.

Лекція № 16. Адсорбція

План лекції

1. Теорія фізичної адсорбції Ленгмюра.

2. Сорбенти. Класифікація сорбентів.

3. Іонообмінна адсорбція. Іоніти.

4. Хроматографія. Теоретичні основи хроматографії.

Рекомендована література: [1]С.88-93,[2]С.114-117,[3]С.358-374,[4]С.110-118.

16.1 Теорія фізичної адсорбції Ленгмюра

Поверхня твердих тіл має надлишок поверхневої енергії за рахунок неврівноважених зв’язків у поверхневих атомів кристалічних ґраток. Це дозволяє таким речовинам, їх називають адсорбентами, накопичувати (адсорбувати) на своїй поверхні інші речовини з навколишнього середовища. На величину адсорбції впливають природа і геометрія поверхні сорбенту. Вимірюють величину адсорбції в [моль/м²] або в [моль/г].

У 1916 році Ленгмюр сформулював теорію фізичної адсорбції:

– адсорбція молекул відбувається тільки на активних центрах адсорбенту, як правило, на нерівностях (виступах) поверхні;

– на кожному активному центрі адсорбується тільки одна молекула;

– адсорбція відбувається за рахунок міжмолекулярних сил взаємодії;

–процес адсорбції оборотний (молекули адсорбтиву періодично відриваються від поверхні сорбенту, а їх місце займають інші молекули);

– взаємодія між сусідніми адсорбованими молекулами відсутня.

На основі таких положень Ленгмюр вивів рівняння, яке має такий вигляд:

, (16.1)

де Г_¥ – максимальна адсорбція, відповідає моменту, коли на поверхні сорбенту утворюється мономолекулярний шар адсорбтиву; k – стала Ленгмюра.

Залежність величини адсорбції від концентрації розчину наведено на рис. 6.1.

Теорія Ленгмюра не бездоганна: вона не може пояснити процеси адсорбції в капілярних системах; не враховує взаємодію між молекулами адсорбтиву.

Часто нагромадження адсорбтиву на поверхні сорбенту продовжується і після утворення на ній мономолекулярного шару.

Рисунок 16.1 – Ізотерма адсорбції Ленгмюра

У таких випадках ізотерма адсорбції має вигляд, наведений на рис. 16.2 а. Крива починаючи від точки А (точки перегину S-образної ізотерми) круто підіймається вгору. Пояснення такої форми ізотерми адсорбції надали вчені Брунауер, Еммет і Тейлор. Ними була запропонована теорія полімолекулярної адсорбції, яка дістала назву – «теорія БЕТ». Автори зберегли основні положення теорії Ленгмюра. Додатковим припущенням було їх уявлення, що кожна молекула з І-го ряду адсорбованих молекул може бути центром адсорбції для молекул ІІ-го шару, молекули ІІ-го шару в свою чергу є центрами адсорбції для молекул ІІІ-го і так далі. На рис. 16.2 b показана можлива схема адсорбції речовин під час полімолекулярній адсорбції.

Рисунок 16.2 – Ізотерма адсорбції – a та модель адсорбційного шару –b