Адсорбция — это процесс накопления молекул или ионов из газа или жидкости на поверхности твердого тела, приводящий к формированию поверхностного слоя с концентрацией, превышающей равновесную концентрацию в объёме. В химии различают физическую (физисорбцию) и химическую (хемосорбцию) адсорбцию, которые существенно различаются по природе взаимодействий, энергетическим характеристикам и кинетике.
Физическая адсорбция обусловлена слабыми межмолекулярными силами (ван-дер-ваальсовыми). Эти взаимодействия не вызывают образования химических связей между адсорбатом и поверхностью адсорбента. Физисорбция характеризуется:
Химическая адсорбция связана с образованием ковалентных, ионных или донорно-акцепторных связей между адсорбатом и поверхностью. Она характеризуется:
Для описания адсорбционных процессов используются различные изотермы, отражающие зависимость количества адсорбированного вещества от концентрации или давления:
Изотерма Лэнгмюра: Предполагает образование монослойной адсорбции на поверхности с конечным числом активных центров. Математически выражается формулой: [ = ] где () — доля занятых адсорбционных центров, (P) — давление газа, (K) — константа равновесия адсорбции.
Изотерма Фрейндлиха: Применяется для гетерогенных поверхностей и описывает адсорбцию при высоких концентрациях. Выражение: [ q = K C^{1/n}] где (q) — количество адсорбата на единицу массы адсорбента, (C) — концентрация в растворе, (K) и (n) — эмпирические константы.
Изотерма Бруннауэра–Эммета–Теллера (BET): Предназначена для многослойной адсорбции, особенно газов на пористых твердых телах. Основное уравнение BET: [ = + ] где (v) — объем адсорбата, (v_m) — объем монослоя, (P_0) — давление насыщения, (C) — константа, отражающая энергию адсорбции.
Температура: Физическая адсорбция уменьшается с ростом температуры, тогда как химическая адсорбция часто активируется и может увеличиваться до оптимальной температуры.
Давление или концентрация адсорбата: Для газовой адсорбции повышение давления увеличивает количество адсорбированного вещества до насыщения активных центров. Для растворов адсорбция увеличивается с ростом концентрации до монослойного предела.
Природа адсорбента и адсорбата: Химическая активность поверхности, площадь поверхности, пористость и химический состав адсорбента определяют селективность и интенсивность адсорбции.
Влажность и присутствие конкурирующих молекул: Для гигроскопичных поверхностей и адсорбции в растворах наличие других молекул может существенно изменять равновесие.
Энергия адсорбции ((E_a)) определяется силой взаимодействия адсорбата с поверхностью. Для физисорбции характерны дисперсионные силы, а для химической адсорбции — образование химических связей.
Энергетическая характеристика адсорбции влияет на:
Теплота адсорбции измеряется калориметрически и отражает природу адсорбции:
Катализ: Адсорбция реагентов на поверхности катализаторов обеспечивает контакт и активацию молекул, что ускоряет химические реакции.
Очистка и разделение веществ: Активированный уголь, цеолиты, силикагель применяются для удаления примесей на основе селективной адсорбции.
Сенсоры и аналитические методы: Адсорбционные процессы лежат в основе работы газовых сенсоров, хроматографии и спектрофотометрии.
Защита материалов: Химическая адсорбция ингибиторов коррозии на металлических поверхностях предотвращает окисление.
Адсорбция описывается скоростью заполнения активных центров поверхности. Для физической адсорбции характерно быстрое установление равновесия, для химической — возможны замедленные стадии, включающие диффузию, образование промежуточных соединений и структурные перестройки поверхности.
Модели кинетики адсорбции:
Эти аспекты обеспечивают понимание механизмов взаимодействия адсорбата с поверхностью и позволяют оптимизировать процессы в промышленной и лабораторной практике.