Главная страница | Контакты | Случайная страница Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Адсорбция на границе раздела твердое тело-газ, твердое тело-жидкость. Уравнение Ленгмюра-Фрейндлиха. Изотерма адсорбции.

1. Граница раздела твердое тело/газ. Граница раздела Т/Г представляет исключительную важность вследствие своей универсальности, но, кроме того, и из-за той роли, которую она играет в фундаментальных исследованиях и технологии – особенно в микроэлектронике и промышленном катализе. Во многом успех в этой области обеспечивается быстрым прогрессом в вакуумной технологии. (См. также ВАКУУМНАЯ ТЕХНИКА.)Давление до 10^–9 мм рт. ст. является рутинным, однако если это необходимо, можно достигнуть величины 10^–11 мм рт. ст. и даже ниже. Часто интерес представляют отдельные кристаллографические грани, получаемые методом скола или эпитаксиального выращивания, однако для получения равномерной (атомно-гладкой поверхности) необходимы электрический прогрев и бомбардировка газовыми ионами. Методы, развитые для контроля чистоты поверхности, и их модификации (дифракционные методы, фотоэлектронная и оже-спектроскопия, сканирующая электронная микроскопия и другие) также применимы для получения информации о структуре и свойствах поверхностного слоя атомов. Отражательная и абсорбционная ИК-спектроскопия позволяет изучать структуру промежуточных частиц на поверхности. Некоторые поверхностные кристаллические структуры имеют сходство с вырезанным из объема элементом, причем адсорбция на таких участках может происходить без изменения симметрии. Однако появляется все больше и больше примеров, когда чистая поверхность отличается от аналогичной структуры в объеме, причем это различие распространяется на два или три слоя атомов. Процесс адсорбции может вызвать значительную реконструкцию структуры поверхности или даже возвращение ее к объемной структуре. Такие процессы включают в себя поверхностную диффузию с возникновением террас или ступеней роста.

Граница раздела твердое тело/жидкость. В заключение рассмотрим твердые тела, которые часто используются для селективной адсорбции из растворов, а для объяснения полученных результатов используем обе изотермы адсорбции – Ленгмюра и Фрёйндлиха. Обычно имеет место мономолекулярная адсорбция, однако при концентрациях, близких к насыщению, может наступать и полимолекулярная адсорбция. Хорошо известным промышленным приложением такой адсорбции является применение древесного угля для поглощения окрашенных загрязнений из сахарных сиропов.

Граница раздела Т/Ж, которая существует в коллоидных суспензиях, обеспечивает стабильность подобных, обычно гидрофобных, систем за счет наличия электростатического отталкивательного взаимодействия между частицами (рис. 7). Отрицательные заряды возникают либо вследствие ионизации поверхностных функциональных групп, либо за счет адсорбции ионов из жидкой фазы. Непосредственно вокруг частицы расположен слой молекул воды вместе с незначительным количеством противоионов. За этим сольватным заряженным слоем со стороны раствора располагается избыток противоионов; общая концентрация электролита определяет расстояние, на котором он находится. Как было показано Э.Фервеем и Я.Овербеком, это распределение заряда, называемое двойным электрическим слоем, приводит к возникновению отталкивания между частицами и вследствие этого к стабилизации системы. Однако добавление в систему ионов, особенно поливалентных, в концентрациях выше некоторого определенного предельного значения приводит к такому «сморщиванию» двойного слоя, что возникает нестабильность системы. С другой стороны, добавка поверхностно-активных веществ (например, многих белков и синтетических ПАВ) может посредством адсорбции на поверхности частицы изменить характер суспензии, превращая ее из гидрофобной в гидрофильную.

Двойные электрические слои возникают обычно на границе раздела между твердым телом (или ртутью) и водным раствором электролита. Наличие электрического заряда на поверхности ртути значительно понижает поверхностное натяжение, и им можно управлять путем наложения на ртутную поверхность электрического потенциала; этот эффект известен под названием электрокапиллярность. Подобно этому в случае металлического электрода в химическом источнике протекание тока происходит вследствие переноса электронов (во внешней цепи) и ионов (в растворе), и двойной электрический слой, окружающий электрод, формируется с зарядом, появляющемся на нем. В таких случаях (сюда относится и выделение водорода и кислорода) медленный перенос электронов к электроду или от него создает такой тип энергетического барьера, который можно преодолеть только приложением избыточного напряжения (перенапряжения;

2. Уравнение Ленгмюра-Фрейндлиха.Количественной мерой адсорбции является количество адсорбированного вещества Г, равное разности концентрации вещества в поверхностном слое и в объеме раствора, моль/мг. Зависимость Г от равновесной концентрации С при постоянной температуре называется изотермой адсорбции. Одно из изотерм адсорбции – уравнение Ленгмюра и Фрейндлиха:

Г_∞ - адсорбция при максимальном заполнении поверхности; С – равновесная концентрация адсорбата; К_а – константа равновесия процесса адсорбции.

3 Величина адсорбции зависит от природы адсорбента и адсорбата и отусловий протекания, в частности, от давления газа (или от концентрации рас-творенного вещества) и от температуры. Зависимость адсорбируемого количества газа (или другого вещества) Γ от давления (или концентрации) адсорбата при постоянной температуре называется изотермой адсорбции