Адсорбція

Адсорбція
Формула	${\displaystyle {\frac {x}{m}}=kP^{\frac {1}{n}}}$
Підтримується Вікіпроєктом	Вікіпедія:Проєкт:Математика
Адсорбція у Вікісховищі

Адсо́рбція (від лат. ad — на, при і лат. sorbeo — поглинаю) — вибіркове поглинання речовини з газового чи рідкого середовища поверхневим шаром твердого тіла (адсорбенту). Компонент, що поглинається, який вміщується в суцільному середовищі (газі, рідині), називають адсорбтивом, а той що вміщується в адсорбенті — адсорбатом. Наприклад, активоване вугілля адсорбує гази. Це явище треба відрізняти від абсорбції. Обернений до адсорбції процес називається десорбцією.

Історія

Явище адсорбції стало вивчатися з другої половини 18 століття, хоча поза сумнівом, що в практичній діяльності людства адсорбція використовувалася з незапам'ятних часів. Учення про адсорбцію є частиною загальнішої теорії багатокомпонентних гетерогенних систем, основи якої закладені В. Гіббсом у 1876 році. Гіббс вивів формулу, що зв'язує значення адсорбції із зміною поверхневого натягу.

Згідно з Гіббсом, в рівноважній двофазній системі поблизу поверхні поділу фаз відбувається зміна значень усіх екстенсивних властивостей (за винятком об'єму). Це дозволяє записати термодинамічне рівняння у вигляді:

${\displaystyle \,\!dG^{\omega }=-S^{\omega }\,dT+\sigma \,ds+\sum _{i}\mu _{i}\,dn_{i}^{\omega }}$

де ${\displaystyle G}$ — вільна енергія Гіббса, ${\displaystyle S}$ — ентропія, ${\displaystyle \sigma }$ — поверхневий натяг на межі фаз, ${\displaystyle s}$ — площа поверхні поділу фаз, ${\displaystyle \mu _{i},n_{i}}$ — відповідно хімічний потенціал і кількість молей компоненту ${\displaystyle i}$. Індекс ${\displaystyle \omega }$ вказує на значення відповідної властивості в поверхневій фазі.

Перетворення Лежандра дозволяє змінити рівняння для ізотермічних умов.

${\displaystyle d\sigma +\sum _{i}{\frac {n_{i}^{\omega }}{s}}d\mu _{i}=0}$

Величина ${\displaystyle {\frac {n_{i}^{\omega }}{s}}={\frac {n_{i}^{0}-(n_{i}^{\alpha }+n_{i}^{\beta })}{s}}}$ називається гібсовою адсорбцією і позначається символом ${\displaystyle \Gamma _{i}}$ (моль/см²).

Для двокомпонентної системи:

${\textstyle d\sigma =-(\Gamma _{1}d\mu _{1}+\Gamma _{2}d\mu _{2})}$

Поверхня поділу може бути вибрана довільно. Зокрема, вибір цього положення може задовольняти умові ${\displaystyle \Gamma _{1}=0}$. Така поверхня має назву еквімолекулярної. Для неї вводиться позначення ${\displaystyle \Gamma _{2}=\Gamma _{2}^{(1)}}$. Звідси випливає основне адсорбційне рівняння Гіббса:

${\displaystyle \Gamma _{2}^{(1)}=-{\frac {d\sigma }{d\mu _{2}}}}$

Таким чином, згідно Гіббса, адсорбція — це надлишок даного компоненту в реальній двофазній системі, в порівнянні з такою системою в якій обидві фази були б строго однорідними аж до поверхні поділу.

В теорії адсорбції велику роль відіграє адсорбція, що розуміється, як повний вміст компоненту ${\displaystyle i}$ в просторі, в якому проявляються адсорбційні сили. Позначимо повний вміст компоненту літерою ${\displaystyle a}$ і враховуючи, що компонент ${\displaystyle i}$ зовсім не розчинний в одній із об'ємних, отримаємо:

${\displaystyle a_{i}=\Gamma _{i}+Wc_{i}}$

де ${\displaystyle c_{i}}$ — концентрація і-того компоненту в об'ємній фазі.

За умови, коли ${\displaystyle c_{i}}$ невелике:

${\displaystyle a_{i}\approx \Gamma _{i}}$

Адсорбція може відбуватись на будь-якій межі розділу між двома будь-якими фазами.

Ті речовини, адсорбція яких сильно зменшує поверхневий натяг, прийнято називати поверхнево-активними.

Види адсорбції

Розрізняють основні види адсорбції — фізичну адсорбцію і хемосорбцію.

Фізична адсорбція зумовлена ван-дер-ваальсовими, або електростатичними, силами притягання частинок адсорбованої речовини до частинок адсорбенту. Оборотність процесу фізичної адсорбції створює сприятливі умови для послідовного проведення процесів адсорбції (поглинання речовини адсорбентом) та десорбції (вилучення з адсорбенту поглиненої речовини).

При хемосорбції молекули поглинутої речовини вступають у хімічну реакцію з молекулами адсорбенту.

Дисоціативна адсорбція — хемосорбція, адсорбція, що супроводжується дисоціацією на два або більше фрагменти, кожен з яких зв'язується з поверхнею адсорбенту. Процес може бути як гомо-, так і гетеро- літичним.

• Гомолітична дисоціативна адсорбція — Дисоціативна адсорбція, яка характеризується такою природою розриву (формального) зв'язку в адсорбованій частинці А: В, коли електронна пара розділяється між А і В з утворенням радикальних частинок в процесі взаємодії молекули АВ з поверхнею.

• Гетеролітична дисоціативна адсорбція — Дисоціативна адсорбція, яка відбувається таким чином, що при розриві (формального) зв'язку в адсорбтиві А: В одна з молекулярних частинок повністю забирає зв'язуючу електронну пару до себе.

Фотоадсорбція. Динамічний фотоадсорбційний процес — одночасне(або синхронне) утворення адсорбованих частинок шляхом фотоадсорбції молекулярних частинок(молекул, атомів чи йонів) та їх відщеплення при фотодесорбції з утворенням тих же молекулярних частинок адсорбата, у випадку коли обидва процеси відбуваються при фотозбудженні на поверхні твердого фотокаталізатора.

Адсорбція Гіббса — надлишок кількості компонента в об'ємі приповерхневого шару з площею, рівною одиниці, порівняно з такою його кількістю в тому ж об'ємі, коли б в суміжних фазах концентрації в приповерхневому шарі та в об'ємі фази були однакові.

Багатошарова адсорбція (англ. multilayer adsorption) — адсорбція, в якій адсорбційний простір нараховує більше від одного шару молекул, через що не всі адсорбовані молекули дотикаються до поверхні адсорбенту.

Одношарова адсорбція (адсорбция мономолекулярная, monolayer adsorption) — адсорбція на поверхні твердого тіла або рідини, що веде до утворення одномолекулярного шару адсорбата на поверхні адсорбенту.

Активований адсорбційний процес — процес адсорбції, який характеризується значною залежністю швидкості адсорбції від температури (тобто має велику енергію активації); коефіцієнт прилипання тоді малий. У загальному, енергія активації такого процесу є функцією заповнення поверхні (покриття) і звичайно зростає зі зростанням покриття.

Неактивований адсорбційний процес — адсорбційний процес у випадку, коли температурний коефіцієнт швидкості адсорбції дуже малий (тобто процес має незначну енергію активації). У цьому випадку коефіцієнт прилипання при низькому заповненні поверхні може бути близьким до одиниці, зокрема для маленьких молекул.

Негативна адсорбція — збіднення одним або більшою кількістю компонентів у приповерхневому шарі (interfacial layer).

Адсорбція з переносом заряду — оксидативна або відновна хемосорбція, за якої тверда фаза відповідно віддає або приймає електрони.

Адсорбція зведена (приведенная адсорбция, reduced adsorption) — термін стосується адсобції на границі поділу фаз рідина — рідина. Концентрація компонента на Гіббсовій поверхні, коли така поверхня вибрана так, що система порівняння має не лише такий самий об'єм, але й вміщує таку ж загальну кількість речовини, що й реальна система.

Адсорбція іммобільна (иммобильная адсорбция, immobile adsorption) — адсорбція, при якій свобода руху адсорбата по поверхні обмежена. Це стається, коли величина енергетичного бар'єра, що розділяє два сусідні адсорбційні центри, є вищою від kT.

Адсорбція мобільна (мобильная адсорбция, mobile adsorption) — різновид адсорбції, коли молекули адсорбата вільно пересуваються по поверхні. Може бути локалізованою й нелокалізованою. Рухливість адсорбату зростає зі збільшенням температури.

• Локалізована мобільна адсорбція (локализованная подвижная адсорбция, localized mobile adsorption) — мобільна адсорбція, в якій адсорбат переважну частину часу перебуває на адсорбційних центрах, але може мігрувати або десорбуватися та реадсорбуватись у іншому місці.
• Нелокалізована мобільна адсорбція (нелокализованная подвижная адсорбция, non-localized mobile adsorption) — мобільна адсорбція, при якій рухливість молекулярних частинок адсорбата є настільки великою, що лише мала їх частина перебуває на адсорбційних центрах, а більша частина — в інших положеннях на поверхні.

Адсорбція надеквівалентна (суперэквивалентная адсорбция, superequivalent adsorption) — у електрохімії — адсорбція у випадку, коли специфічно адсорбована кількість зарядів на внутрішній гельмгольцівській площині є вищою, ніж заряд металічної фази, взятий з протилежним знаком.

Адсорбція неспецифічна (неспецифическая адсорбция, non-specific adsorption) — адсорбція йонів у випадку, коли вони утримуються в міжфазній області (міжфаззі) лише завдяки далекосяжним кулонівським взаємодіям (притяганню чи відштовхуванню).

Адсорбція реакційна (реактивная адсорбция, reactive adsorption) — адсорбція, що приводить до реакції. Нагадує дисоціативну адсорбцію, при якій один з фрагментів приєднується до адсорбата, а не до поверхневого центру. Є зворотною до реактивної десорбції.

Багатошарова адсорбція (многослойная адсорбция, multilayer adsorption) — адсорбція, в якій адсорбційний простір нараховує більше від одного шару молекул, через що не всі адсорбовані молекули дотикаються до поверхні адсорбенту.

Дотичні поняття

Адсорбційний комплекс — хімічний індивід, складений з адсорбату й частини адсорбенту, з якою він зв'язаний.

Адсорбційний потенціал — зміна енергії, пов'язана з переходом частинки з газової фази на поверхню адсорбенту.

Адсорбційний центр — місце на поверхні адсорбента, де частинка адсорбату притягається i, врешті, зв'язується з поверхнею.

Застосування

Зокрема адсорбція широко застосовується в хімічній та нафтохімічній промисловості для очищення нафтопродуктів, рекуперації летких розчинників, розділення газів та рідин, глибокої сушки газів.

Адсорбція — основа технологічних процесів тонкого очищення газових та інших потоків при невисокому початковому вмісті в них цільового компонента (див. адсорбційне очищення газу).

Речовини з високою адсорбційною здатністю застосовуються як фільтри, як медикаменти при отруєннях, а також як засоби боротьби з нафтовим забрудненням водойм.

Адсорбція у гірництві

Адсорбція є одним з головних чинників процесу флотації корисних копалин.

Адсорбція газу — процес концентрування молекул газу на поверхні розділу середовищ. Адсорбованість природних газів збільшується зі збільшенням молекулярної маси молекул та зі збільшенням тиску.

Параметри адсорбції

• Адсорбтивна ємність

Див. також

• Адсорбційне очищення газу
• Абсорбція
• Псевдоадсорбція
• Адсорбційний струм
• Адсорбція Гіббса

Література

• Адсорбція [Архівовано 16 листопада 2016 у Wayback Machine.] // Фармацевтична енциклопедія / голова ред. ради та автор передмови В. П. Черних ; Нац. фармац. ун-т України. — 2-ге вид., переробл. і доповн. — Київ: МОРІОН, 2010. — 1632 с., 16 арк. іл. — 2 000 екз. — ISBN 978-966-2066-34-0.
• Мала гірнича енциклопедія : у 3 т. / за ред. В. С. Білецького. — Д. : Донбас, 2004. — Т. 1 : А — К. — 640 с. — ISBN 966-7804-14-3.
• Глосарій термінів з хімії / укладачі: Й. Опейда, О. Швайка ; Ін-т фізико-органічної хімії та вуглехімії ім. Л. М. Литвиненка НАН України, Донецький національний університет. — Донецьк : Вебер, 2008. — 738 с. — ISBN 978-966-335-206-0.
• Адсорбція [Архівовано 18 листопада 2016 у Wayback Machine.] // Українська радянська енциклопедія : у 12 т. / гол. ред. М. П. Бажан ; редкол.: О. К. Антонов та ін. — 2-ге вид. — К. : Головна редакція УРЕ, 1974–1985.
• Енциклопедичний тлумачний словник фармацевтичних термінів: укр.-латин.-рос.-англ. / Нац. фармацевт. ун-т; Уклад. І. М. Перцев, Є. І. Світлична, О. А. Рубан; За ред. В. П. Черних; Передм. І. М. Перцев. — Вінниця: Нова книга, 2014.– 820 с.

Посилання

• Адсорбція [Архівовано 25 лютого 2022 у Wayback Machine.] // Велика українська енциклопедія : у 30 т. / проф. А. М. Киридон (відп. ред.) та ін. — 2016. — Т. 1 : А — Акц. — 592 с. — ISBN 978-617-7238-39-2.
• Адсорбція // Словник-довідник з екології : навч.-метод. посіб. / уклад. О. Г. Лановенко, О. О. Остапішина. — Херсон : ПП Вишемирський В. С., 2013. — С. 6.