Адсорбция представляет собой процесс накопления молекул одного вещества (адсорбата) на поверхности другого вещества (адсорбента). Изотермы адсорбции описывают количественную зависимость между количеством адсорбированного вещества и его концентрацией в фазе, окружающей поверхность, при постоянной температуре. Они являются фундаментальным инструментом для исследования поверхностных свойств коллоидных систем, а также для проектирования сорбционных процессов.
Ключевым понятием является удельная адсорбционная способность поверхности, которая определяется как количество вещества, способное адсорбироваться на единице площади адсорбента. Этот параметр зависит от природы адсорбента и адсорбата, температуры, давления (для газовой адсорбции) и природы растворителя (для жидкостной адсорбции).
Изотерма Ленгмюра описывает монослойную адсорбцию и предполагает, что поверхность адсорбента однородна, а каждая адсорбционная центры эквивалентны. Основное уравнение имеет вид:
$$ q = \frac{q_\text{max} K C}{1 + K C} $$
где q — количество адсорбата на единицу массы адсорбента, qmax — максимальная адсорбционная способность, C — концентрация адсорбата в растворе, K — константа адсорбции, отражающая энергию взаимодействия адсорбата с поверхностью.
Особенности:
Изотерма Фрейндлиха описывает многослойную и гетерогенную адсорбцию. Она выражается уравнением:
q = KFC1/n
где KF и n — эмпирические константы, зависящие от адсорбента и адсорбата. Эта модель применима для адсорбции на неровных или химически неоднородных поверхностях, где взаимодействие между молекулами адсорбата может проявляться.
Особенности:
Изотерма BET является развитием модели Ленгмюра и учитывает многослойную адсорбцию. Уравнение BET:
$$ \frac{C}{q (C_s - C)} = \frac{1}{q_m K} + \frac{C (K-1)}{q_m K C_s} $$
где Cs — концентрация насыщения (или парциальное давление для газов), остальные величины аналогичны. Изотерма BET позволяет определить площадь поверхности адсорбента и используется для анализа пористых материалов.
Особенности:
Энергия адсорбции — важный параметр, определяющий тип адсорбции: физическая (физадсорбция) с энергией ~5–40 кДж/моль или химическая (хемосорбция) с энергией >40 кДж/моль.
Температурная зависимость — адсорбция обычно уменьшается с ростом температуры для физадсорбции, в то время как хемосорбция может проявлять обратную зависимость при активируемых процессах.
Влияние растворителя и ионов — природа растворителя, наличие ионов и их концентрация могут существенно изменять адсорбционную способность поверхности.
Изотермы адсорбции играют центральную роль в коллоидной химии, так как поверхностные процессы определяют стабильность, коагуляцию и агрегацию коллоидных частиц. Адсорбированные молекулы могут изменять заряд поверхности, гидрофобность и взаимодействие между частицами, что напрямую влияет на свойства дисперсных систем.
Применение изотерм позволяет количественно оценивать эти изменения и создавать модели поведения коллоидов в растворах, что критически важно для промышленной и аналитической химии.