Адсорбция Лэгмюра и Фрейндлиха

Размещено на http://www.allbest.ru/

РЕФЕРАТ

АДСОРБЦИЯ ЛЭГМЮРА И ФРЕЙНДЛИХА

Адсорбция. Изотермы адсорбции Лэгмюра, Фрейндлиха. Уравнение БЭТ и его анализ

Поверхностная энергия стремится самопроизвольно уменьшиться. Это выражается в уменьшении межфазной поверхности или поверхностного натяжения ().

Вследствие этого стремления происходит адсорбция.

Адсорбция - процесс самопроизвольного перераспределения компонентов системы между поверхностным слоем и объемной фазой. То есть адсорбция может происходить в многокомпонентных системах, в слой переходит тот компонент, который сильнее уменьшает поверхностное натяжение. В общем случае адсорбция может быть результатом химического взаимодействия компонентов с поверхностью - хемосорбция.

Основные понятия.

Адсорбент - фаза, определяющая форму поверхности, она более плотная, может быть твердой или жидкой.

Адсорбат - вещество, которое перераспределяется (газ или жидкость).

Десорбция - переход вещества из поверхностного слоя в объемную фазу.

Для количественного описания адсорбции применяют две величины. Одна измеряется массой адсорбента, то есть числом молей или граммов, приходящихся на единицу площади поверхности или на единицу массы адсорбента. Эту величину обозначают «А» (метод «слоя конечной толщины»). Другая характеристика величины адсорбции определяется избытком вещества в поверхностном слое по сравнению с его количеством в таком же объеме фазы также отнесенным к единице площади или единице массы адсорбента.

Физико - химическая классификация.

1. физическая (молекулярная),

2. хемосорбция,

3. ионный обмен.

Наиболее широко распространена физическая адсорбция.

При физической адсорбции происходит взаимодействие адсорбата и адсорбента за счет сил Ван-дер-Ваальса и водородных связей. Силы Ван-дер-Ваальса включают три вида взаимодействия: диполь-дипольное, индукционное и дисперсионное. Для всех видов взаимодействия выполняется один закон изменения энергии притяжения от расстояния между атомами.

Поверхностные явления. адсорбция лэгмюр фрейндлих

Адсорбция - изменение концентрации вещества на границе раздела фаз по сравнению с объемом. Этим термином обозначают также и процесс поглощения и количество поглощенного вещества Г, отнесенного к единице площади поверхности или массы адсорбента (ммоль/м² или ммоль/г).

Адсорбция идет с выделением энергии, следовательно, этот процесс самопроизвольный.

Адсорбент - вещество, на поверхности которого происходит адсорбция.

Адсорбат - адсорбирующееся вещество.

Адсорбция физическая - адсорбция, обусловленная силами межмолекулярного взаимодействия (как правило, обратима).

Хемосорбция - поглощение газов, паров или растворенных веществ твердыми или жидкими поглотителями, сопровождающееся образованием химических соединений.

Теплота адсорбции - отнесенная к одному молю вещества теплота, которая выделяется при его адсорбции.

Адсорбция - экзотермический процесс (Q>0) . При постоянной адсорбции(Г, Q=const):

,

Величина Q является косвенным критерием определения типа адсорбции: если Q<30-40 кДж/моль - физическая адсорбция , если Q>40 кДж/моль - хемосорбция.

Изотерма адсорбции - функциональная зависимость количества адсорбированного поверхностью вещества от давления или концентрации этого вещества в другой фазе Г=f(p)_T=const, Г=f(с)_T=const .При монослойной локализованной адсорбции на однородной поверхности Г=f(p) описывается изотермой Ленгмюра.

Уравнение Ленгмюра

Уравнение изотермы абсорбции (1916 -1918 г) получено исходя из следующих предположений:

1.) поверность адсорбента энергетически однородна, т.е. адсорбция молекул на любом ее участке проходит с одинаковым тепловым эффектом

2.) отсутствует взаимодействие между адсорбированными молекулами, т.е. молекулы покрывают адсорбент только мономолекулярным слоем. Максимум адсорбции наблюдается тогда, тогда когда вся поверхность покрыта мномолекулярным слоем

3.) адсорбция обратима, т.е. между адсорбционным слоем и газовой (жидкой) фазой восстанавливается термодинамическое равновесие.

При равновесии скорость адсорбции V_ад должна равняться скорости десорбции V_дес.

V_ад = V_дес

Для того, чтобы молекула адсорбировалась, она должна удариться о поверхность и попасть на незанятое место. Так как число ударов пропорционально концентрации С, а вероятность попасть на незанятое место пропорциональна числу незанятых мест, то

V_адс = k₁C (1- ),

где k₁ - константа скорости адсорбции. - доля занятых мест, 1- - доля не занятых мест.

Молекула десорбируется, когда ее энергия окажется достаточной для того, чтобы оторваться от поверхности. Число таких молекул пропорционально числу адсорбированных молекул, поэтому

V_дес = k₂,

где k₂ - константа десорбции.

k₁C (1-) = k₂, k₁C - k₁ C= k₂, k₁C = (k₂ + k₁C)

отсюда , делим числитель и знаменатель на k₂.

, уравнение Бернулли

где b = k₁/k₂.

Если число мест на адсорбенте равно z, то адсорбция Г=z и уравнение изотермы будет

(1) уравнение Ленгмюра.

Исследуем это уравнение:

Рис.1 Рис. 2

1.) адсорбция мала: либо мала k₁, либо мала С, тогда bC<<1. Г=zbC=, где - константа Генри, т.е. уравнение Ленгмюра переходит в уравнение Генри, следовательно изотерма адсорбции должна представлять собой сначала прямую линию (рис. 1).

2.) Адсорбция велика: bc >> 1, тогда Г=z, т.е. наступает предельная адсорбция Г_. Отношение называется степенью заполнения поверхности. Уравнение Ленгмюра можно привести к линейному виду (рис. 2):

(2) или

Отсекаемые на оси координат отрезки и наклоны этих прямых позволяют определить константы уравнения Ленгмюра z и b. Однако уравнении Ленгмюра неудовлетворительно истолковывает данные по адсорбции. Отклонение от теории Ленгмюра является результатом неоднородной поверхности, которая характеризуется наличием неодинаковых адсорбционных центров обладающих различным сродством с адсорбируемым веществом. Если поверхность энергетически неоднородна, используют эмпирическое уравнение Френдлиха

,

где х - количество адсорбированного вещества,

m - масса адсорбента,

С - равновесная концентрация после адсорбции,

k, n - константы (аппроксимационные параметры).

Константа k - представляет собой количество вещества, адсорбированное 1 г. адсорбента при С = 1моль/литр. Для каждого адсорбатива k имеет свое значение при одном и том же адсорбенте, т.е. она характеризует способность данного адсорбата адсорбироваться определенным адсорбентом

(4)

где n - наклон прямой, а k - антилогарифм отрезка прямой. Уравнение Фрейндлиха можно вывести предположив, что поверхность энергетически неоднородна и что адсорбция на каждом из типов адсорбционных центров подчиняется уравнению Ленгмюра. Тогда константа k отвечает константе адсорбционного равновесия, а n - степени агрегативности. Согласно уравнению Фрейндлиха количество адсорбируемого вещества неограниченно возрастает с увеличение концентрации и давления, поэтому это уравнение не является удовлетворительным для высоких заполнений поверхностей.

Теория БЭТ

При многослойной адсорбции изотерма адсорбции описывается уравнением БЭТ (Брунаэр, Эммет, Теллер). Они предположили, что на поверхности адсорбента имеются однородные локализованные адсорбционные центры и что адсорбция на одном центре не оказывает никакого влияния на адсорбцию на соседних центрах, также как и в теории Ленгмюра. Далее они предположили, что молекулы могут адсорбирваться во втором, третьем и n-ом молекулярном слоях, причем доступная площадь для молекул n-го слоя равна площади покрытой (n-1) слоем.

где p_s - давление насыщенного пара адсорбата,

p - давление адсорбата в другой фазе.

Отличительной чертой адсорбции паров является переход к объемной конденсации при предельном давлении, равном давлению насыщенного пара жидкости, p=p_s. Целью этого уравнения является нахождение Г с помощью которой можно рассчитать доступную поверхность адсорбента.

Размещено на Allbest.ru