Адсорбция: физические основы и виды¶

Адсорбция — процесс самопроизвольного перераспределения компонентов газовой или жидкой фазы на поверхности раздела с конденсированной фазой, при котором концентрация вещества у поверхности превышает его концентрацию в объёме. Адсорбция относится к поверхностным явлениям и лежит в основе гетерогенного катализа, хроматографии, очистки газов и воды, а также многих биологических процессов.

¶Физические основы

Движущей силой адсорбции служит стремление системы к снижению поверхностной энергии. Молекулы на поверхности твёрдого тела или жидкости обладают избыточной свободной энергией по сравнению с молекулами в объёме, поскольку часть их связей остаётся ненасыщенной. Притягивая к себе частицы из окружающей среды, поверхность уменьшает этот избыток.

Адсорбция всегда экзотермична: при связывании частицы выделяется теплота, называемая теплотой адсорбции. Процесс, обратный адсорбции, — десорбция; их динамическое равновесие описывается изотермами адсорбции (Ленгмюра, Фрейндлиха, БЭТ и другими).

Ключевые понятия:

• Адсорбент — вещество, на поверхности которого происходит поглощение (активированный уголь, силикагель, цеолиты).
• Адсорбат — вещество, которое поглощается.
• Адсорбтив — вещество, находящееся в объёмной фазе до адсорбции.

Адсорбцию следует отличать от абсорбции — объёмного поглощения вещества всей массой поглотителя. Общий термин, охватывающий оба явления, — сорбция.

¶Классификация

¶По природе сил взаимодействия

При физической адсорбции молекулы удерживаются слабыми межмолекулярными силами, структура адсорбата сохраняется, а процесс легко обратим при повышении температуры. При хемосорбции образуются химические связи, возможно разрушение молекул и образование поверхностных соединений; такой слой обычно мономолекулярен.

¶По агрегатному состоянию фаз

• Адсорбция газа на твёрдом теле (очистка газов, катализ).
• Адсорбция растворённых веществ на твёрдых адсорбентах (хроматография, водоочистка).
• Адсорбция на границе жидкость — газ (поверхностно-активные вещества, пены).
• Адсорбция на границе двух жидкостей (эмульсии).

¶По числу слоёв

Различают мономолекулярную адсорбцию (один слой молекул, модель Ленгмюра) и полимолекулярную (несколько слоёв, теория БЭТ), переходящую в капиллярную конденсацию.

¶Факторы, влияющие на адсорбцию

• Природа адсорбента и адсорбата: пористость, удельная поверхность, полярность.
• Температура: физическая адсорбция усиливается при охлаждении, хемосорбция часто ускоряется при нагреве.
• Давление и концентрация: с их ростом адсорбция увеличивается до насыщения.
• Удельная поверхность: у пористых материалов (активированный уголь) достигает сотен и тысяч м²/г.

Правило Дюкло — Траубе описывает рост адсорбции поверхностно-активных веществ с увеличением длины углеводородной цепи.

¶Применение

• Гетерогенный катализ — адсорбция реагентов на поверхности катализатора.
• Хроматография — разделение смесей за счёт разной адсорбируемости компонентов.
• Очистка газов и воды — удаление примесей активированным углём, цеолитами.
• Осушка и разделение газов — молекулярные сита.
• Медицина — энтеросорбенты, искусственная почка.

¶Значение

Адсорбция — фундаментальное поверхностное явление, определяющее поведение дисперсных систем, работу катализаторов и многих технологических процессов. Её изучение связывает физическую химию, материаловедение и биологию.