Термодинамика адсорбционных процессов

Основные определения и способы классификации адсорбционных процессов.

Адсорбция относится к явлениям, происходящим вследствие самопроизвольного уменьшения поверхностной энергии.

Адсорбция – процесс самопроизвольного обратимого или необратимого перераспределения компонентов гетерогенной системы между поверхностным слоем и объемом гомогенной фазы.

В многокомпонентных системах в поверхностный слой предпочтительнее переходит компонент, который сильнее снижает межфазное натяжение. В однокомпонентных системах при формировании поверхностного слоя происходит изменение его структуры (определенная ориентация атомов и молекул, поляризация), называемое автоадсорбцией.

Более плотную фазу, на которой локализованы адсорбционные взаимодействия называют адсорбентом. Вещество, перераспределяемое между объемом гомогенной фазы и поверхностным слоем, обозначают термином «адсорбат».

В ряде случаев процесс адсорбции является обратимым. В этом случае при определенных условиях часть адсорбированных молекул в результате молекулярно-кинетических явлений может перейти из поверхностного слоя в объем фазы. Процесс, обратный адсорбции, называют десорбцией.

Способы классификации адсорбционных процессов.

Классификация адсорбционных процессов по агрегатному состоянию взаимодействующих фаз. В зависимости от агрегатного состояния смежных фаз различают следующие типы адсорбционных процессов:

- адсорбция газов на твердых адсорбентах;

- адсорбция растворенных веществ на границах раздела «твердое тело – жидкость» и «жидкость – жидкость»;

- адсорбция поверхностно-активных веществ на границе раздела «жидкость – газ».

Классификация адсорбционных процессов по механизму взаимодействия адсорбента и адсорбата. Адсорбцию можно рассматривать как взаимодействие молекул адсорбата с активными центрами адсорбента. По механизму их взаимодействия подразделяют следующие виды адсорбции:

1) физическая (молекулярная) адсорбция – взаимодействие между молекулами адсорбата и адсорбента осуществляется за счет сил Ван-дер-Ваальса, водородных связей (без протекания химических реакций);

2) химическая адсорбция (хемосорбция) – присоединение молекул адсорбата к активным центрам адсорбента происходит в результате протекания химических реакций различных типов (за исключением реакций ионного обмена);

3) ионообменная адсорбция (ионный обмен) – перераспределение вещества адсорбата между раствором и твердой фазой (ионитом) по механизму реакций ионного обмена.

Для количественного описания адсорбционных процессов применяют две величины.

1) Абсолютная адсорбция – количество (моль) или масса (кг) адсорбата на единицу площади поверхности или массы адсорбента. Обозначение – А; размерность: моль/м², моль/кг, кг/ м², кг/кг.

2) Гиббсовская (избыточная) адсорбция – избыток вещества адсорбата в поверхностном слое определенной толщины по сравнению с его количеством в объеме гомогенной фазы, отнесенный к единице площади поверхности или массы адсорбента. Обозначение – Г; размерность: моль/м², моль/кг.

Связь между абсолютной и избыточной адсорбции можно проиллюстрировать с помощью уравнения:

Г = А – с * h (3.1)

где с – равновесная концентрация вещества в объеме фазы, моль/м³;

h - толщина поверхностного слоя, условно принимаемая равной 10^{-9 м.}

В многокомпонентных гетерогенных системах при перераспределении того или иного компонента между объемом гомогенной фазы и поверхностным слоем справедливо уравнение для избыточной внутренней энергии поверхности:

U = T * S + s * s + Sm_i* n_i (3.2)

Приведя все члены уравнения к единице площади межфазной поверхности, получим:

U_s = T * S_s + s + Sm_i * Г _i (3.3)

где Г _i = n_i / s – избыток i -го компонента в поверхностном слое, то есть гиббсовская адсорбция.

Для однокомпонентной системы уравнение (3.3) примет вид:

G_s = s + m * Г (3.4)

где G_s = U_s - T * S_s – энергия Гиббса поверхности или работа создания единицы площади поверхности;

m * Г – уплотнение вещества адсорбируемого вещества в поверхностном слое.

Исходя из уравнения (3.4) можно сделать вывод о том, что при адсорбции работа по созданию межфазной поверхности складывается из работы образования поверхности (разрыва когезионных связей в объеме фазы адсорбата) и уплотнения вещества в поверхностном слое.

В состоянии динамического равновесия между адсорбентом и адсорбатом изменение энергии Гиббса гетерогенной системы ΔG = 0, термодинамика процесса адсорбции описывается уравнением, получившим название фундаментальное адсорбционное уравнение Гиббса:

- ds = SГ _i * dm_i (3.5)

Данное уравнение является универсальным, так как справедливо для всех типов адсорбционных процессов

Частные случаи адсорбционного уравнения Гиббса.

1) Адсорбция из растворов.

Для химического потенциала i -го компонента системы при протекании адсорбции на границах раздела «жидкость – твердый адсорбент» и «жидкость – газ» справедливы уравнения:

m_i = m_i⁰ + R*T*ln a _i (3.6)

dm_i = R*T* d ln a _i (3.7)

где m_i⁰ - химический потенциал i -го компонента системы при стандартных условиях;

a _i – активность i -го компонента системы при стандартных условиях.

Исходя из этого, адсорбционное уравнение Гиббса примет вид:

Г _i = - a _i / R*T * (ds / da _i) (3.8)

Для растворов неэлектролитов принимаем a _i = с _i, тогда:

Г _i = - с / R*T * (ds / dс) (3.9)

Для растворов электролитов:

Г _i = - с_±ⁿ / R*T * (ds / dс_±ⁿ) (3.10)

где с_± - средняя ионная концентрация раствора;

n - стехиометрический коэффициент.

2) Адсорбция веществ из газовой фазы.

В соответствии с уравнением Менделеева-Клайперона:

Р = с * R*T (3.11)

В связи с этим, уравнение Гиббса для адсорбции газов на твердых адсорбентах записывают в следующей форме:

Г _i = - Р / R*T * (ds / dР) (3.12)

На практике адсорбционное уравнение Гиббса позволяет по данным измерения поверхностного натяжения при различных значениях концентрации жидкости или равновесного давления газа рассчитать величину адсорбции веществ в межфазном слое, для которого определено поверхностное натяжение.