Адсорбция как поверхностное явление

Адсорбцией называют концентрирование* (сгущение) веществ на поверхности раздела фаз. Вещество, которое адсорбирует другое вещество, называют адсорбентом (рис. 4.1). Название адсорбируемого вещества зависит от его положения по отношению к адсорбенту. Если вещество находится в объеме и может адсорбироваться (его химический потенциал равен μ_i^V, а концентрация с), то его называют адсорбтивом. Это же вещество в адсорбированном состоянии (его химический потенциал уже становится равным μ_i^В, а концентрация — с^В) будет называться адсорбатом. Иными словами, для обозначения положения адсорбируемого вещества используют термины адсорбтив (до адсорбции) и адсорбат (после адсорбции).

Молекулы (атомы, ионы, радикалы) адсорбата соприкасаются с поверхностью адсорбента и удерживаются на его поверхности. Поэтому концентрация молекул на поверхности становится больше, чем в объеме соприкасающейся с ней жидкости или газа (см. рис. 4.1). Часть молекул с поверхности может перейти обратно в объем. Процесс, обратный адсорбции, называют десорбцией.

В зависимости от агрегатного состояния адсорбента и адсорбтива различают адсорбцию на границе твердого тела и газа (Т—Г), жидкости и газа (Ж—Г) и твердого тела и жидкости (Т—Ж).

Рис. 4.1Схема процесса адсорбции: а — начальный момент (μ_t^V> μ_t^B, Δμ < 0);

б — состояние равновесия (μ_t^V= μ_t^B, Δμ = 0)

Рассмотрим в качестве примеров некоторые адсорбционные процессы.

Активированный уголь обладает значительной пористостью и повышенной адсорбционной способностью, хорошо адсорбирует летучие вещества. Входящие в состав молока жиры и белки адсорбируются на границе раздела водная среда – воздух и снижают поверхностное натяжение воды с 73 до 45—60 мДж/м². Очистку растительных масел от красящих веществ, так называемый процесс отбеливания, осуществляют с помощью бентонитовых глин, выполняющих роль адсорбента. На основе адсорбции проводят очистку и осветление жидкости.

Адсорбция газов на угле происходит на границе Т—Г, жиров и белков — на границе Ж—Г, а красящих веществ на бентоните — по границе раздела двух конденсированных тел Т—Ж. Причем в первом случае адсорбируются молекулы газа или паров на твердой поверхности, а во втором и в третьем случаях в качестве адсорбата выступает растворенное в жидкости вещество. В ходе всех этих процессов происходит концентрирование веществ на поверхности раздела фаз.

Адсорбцию выражают в абсолютных и избыточных величинах. Абсолютная адсорбция (А) – это количество адсорбата на единице поверхности адсорбента. Она равна концентрации адсорбата в поверхностном слое с^В(см. рис. 4.1,б), умноженной на толщину этою слоя h:

А = с^Вh. (4.1)

Избыток адсорбата в поверхностном слое по сравнению с его первоначальным количеством в этом слое характеризует избыточную, или так называемую гиббсовскую адсорбцию (Г). Она показывает, насколько увеличилась концентрация адсорбата в результате адсорбции:

Г = А – c ∙h = Г – N, (4.2)

где с – равновесная концентрация адсорбтива в объеме; N – количество адсорбата в адсорбционном слое, когда его концентрация на поверхности соответствует концентрации в объемной фазе.

Когда концентрация адсорбата на поверхности адсорбента зна­чительно превышает его концентрацию в объеме, т.е. c^В>> с, то величиной N можно пренебречь и считать, что

Г = А. (4.3)

В случае адсорбции на границе раздела жидкость – газ и адсорбции на твердых гладких поверхностях величины Г и А определяют относительно единицы площади границы раздела фаз, т.е. размерность Г и А будет моль/м².

Для твердого и особенно пористого порошкообразного адсорбента, имеющего значительную поверхность раздела фаз, адсорбцию выражают по отношению к единице массы адсорбента, т.е. в этом случае величины Г и А имеют размерность моль/кг.

Таким образом, величина адсорбции для i-го компонента

Г_i^/ = n_i/B моль/м² или Г_i^//= n_i/m моль/кг, (4.4)

где n_i– избыточное число молей адсорбата i-го компонента на поверхности по сравнению с его содержанием в объеме; В – площадь поверхности раздела фаз, м²; m – масса пористого порошкообразного адсорбента, кг.

В случае адсорбции одного компонента уравнения (4.4) упрощаются:

Г^/ = n/B, или Г^// = n/m. (4.5)

У дисперсных систем в связи с раздробленностью резко увеличивается удельная поверхность [см. формулы (1.1)—(1.7)], что приводит (по сравнению с адсорбцией на нераздробленных твердых телах, особенно в тех случаях, когда они имеют плоскую поверхность) к значительному увеличению количества адсорбата.