Динамический характер адсорбции

Поверхность раздела фаз. Адсорбция

Поверхностные явления широко распространены в окружающем нас мире, который представляет собой многофазную систему. Каждая фаза имеет свои границы, отделяющие ее от соседних фаз. Кристаллы соли в жидкости имеют поверхность раздела твердое тело — жидкость. Капелька ртути, лежащая на твердой поверхности, граничит с двумя фазами — твердым телом и газовой средой. Пористый катализатор, работающий в газовой смеси, имеет большую поверхность, отделяющую его от этой смеси. Поверхность раздела фаз имеет свои специфические особенности, обусловленные наличием нескомпенсированного силового поля. Физические (плотность, электропроводность, теплопроводность и др.) и химические (способность к химическому взаимодействию) свойства вещества в непосредственной близости от поверхности раздела отличаются от этих свойств в объеме фаз. Одной из важнейших особенностей является способность поглощать вещество из объема фаз, концентрировать его на поверхности. Это поглощение называется адсорбцией.

Нужно, однако, предостеречь от упрощенного представления адсорбции как простого перехода молекул из газовой фазы на поверхность. Де Бур нарисовал образную картину, передающую динамический характер адсорбции. Если уподобить молекулы, говорит он, пчелам на пасеке, то, садясь на поверхность рамок улья, они имитируют адсорбированные молекулы. Пчелы непрерывно взлетают с рамок, отправляясь за взятком, и садятся на них, нагруженные добычей. Более того, они непрерывно двигаются по вощине рамок в поисках свободной лунки, куда можно отложить мед, изредка задерживаясь в том или другом месте. При этом, в любой момент времени в улье находится, в зависимости от погодных условий, вполне определенное число пчел. Примерно так же молекулы газовой фазы, непрерывно ударяясь о поверхность твердого тела, задерживаются на некоторое время на ней. Адсорбированные молекулы вращаются или совершают колебания около какой-то точки поверхности (и тогда говорят, что адсорбция локализована) или двигаются по поверхности в разных направлениях (нелокализованная адсорбция). Однако в некоторые моменты флуктуации тепловой энергии поверхности твердого тела могут оказаться достаточными, чтобы сообщить такой импульс молекуле, что она отрывается и улетает обратно в газовую среду, т.е. десорбируется. Тем не менее, в каждый данный момент времени на поверхности имеется определенное количество молекул, которое и составляет определенную величину адсорбции. Это количество, с одной стороны, зависит от числа ударов о поверхность, т.е. от давления газа. Оно тем больше, чем больше давление газа. С другой стороны, температура оказывает обратное влияние: чем больше температура, тем больше энергия колебаний поверхностных частиц, тем большее число молекул имеет возможность покинуть поверхность. Если чистая поверхность твердого тела находится в контакте с газовой фазой, то вначале множество молекул адсорбируется на ней и мало десорбируется. По мере возрастания поверхностной концентрации на поверхности остается все меньше свободных мест и скорость адсорбции замедляется; наоборот, по мере покрытия поверхности число десорбированньгх молекул возрастает. Адсорбционное равновесие наступает, когда число адсорбирующихся и десорбирующихся в единицу времени молекул становится равным. Именно из такой картины исходил Ленгмюр при выводе уравнения изотермы мономолекулярной адсорбции.