Величина адсорбции – функция природы адсорбента и адсорбата и зависит от силы взаимодействия между ними. При адсорбции взаимодействуют молекулы, принадлежащие разным фазам, ана границе раздела фаз неизбежно существует асимметрия сил взаимодействия. Кроме того, молекулы адсорбата взаимодействуют не с единичной молекулой адсорбента, а с их совокупностью. Благодаря этому силы взаимодействия в зависимости от их природы могут либо возрастать, либо ослабевать.
Адсорбцию делят на физическую и химическую (хемосорбцию). Как правило, физическая адсорбция обусловлена межмолекулярными (ван-дер-ваальсовыми) силами. В простейшем случае взаимодействие неспецифично, т.е. речь идет об универсальных, дисперсионных силах. Молекулы на поверхности не теряют своей индивидуальности.
Дисперсионное взаимодействие не зависит от температуры. Важным свойством дисперсионных сил является их аддитивность; сила взаимодействия между двумя молекулами не зависит от присутствия других молекул. Аддитивность проявляется в том, что суммируются силы взаимодействия молекул адсорбата со всеми близлежащими атомами поверхности адсорбента. Поэтому при адсорбции пористыми адсорбентами вклад дисперсионных сил в общее взаимодействие оказывается существенно бóльшим. При адсорбции неполярных веществ на полярном адсорбенте (ионный кристалл) к дисперсионным силам притяжения добавляются индукционные силы притяжения диполя, индуцированного электростатическим полем адсорбента. Индукционное притяжение возникает и при адсорбции полярных молекул на неполярном адсорбенте.
Адсорбция полярных молекул на полярном адсорбенте вызывает ориентационное кулоновское взаимодействие диполя адсорбата с электростатическим полем адсорбента. Энергия индукционных, ориентационных и дисперсионных сил при парном взаимодействии обратно пропорциональна шестой степени расстояния между центрами взаимодействующих атомов. Однако ориентационные и индукционные взаимодействия, будучи электростатическими, не являются аддитивными. Так, появление третьей молекулы в поле взаимодействия двух других изменяет ориентацию молекулы и ослабляет эти взаимодействия. Поэтому энергия взаимодействия молекулы адсорбата с поверхностью адсорбента может оказаться меньше, чем энергия ее взаимодействия с одним центром на поверхности. При адсорбции пористыми адсорбентами индукционное и ориентационное взаимодействия вносят меньший вклад. Поэтому наибольшую роль чаще всего играет дисперсионное взаимодействие. Для неполярных или слабополярных молекул его вклад может быть стопроцентным.
Неспецифический характер взаимодействий, вызывающих физическую адсорбцию, определяет и основные признаки этого явления. Равновесие при физической адсорбции устанавливается быстро и обратимо. Теплота физической адсорбции превышает теплоту конденсации обычно не более чем на ~20 кДж/моль.
Химическая адсорбция имеет место, когда молекулы адсорбата вступают в химическое взаимодействие с поверхностью адсорбента с образованием
поверхностных химических соединений, но без образования новой объемной
фазы. Она гораздо более избирательна и чувствительна к химической природе адсорбата и адсорбента. Теплоты хемосорбции обычно велики (100‑200 кДжмоль).
Хемосорбция может протекать довольно медленно, со скоростью, определяемой наличием некоторого активационного барьера. Поэтому ее часто называют «активированная адсорбция». При низких температурах скорость хемосорбции обычно мала. Хемосорбция, как правило, необратима.
Существует большое многообразие форм адсорбции, переходных между физической и химической адсорбцией. Так, например, широко распространенным видом такого переходного взаимодействия является образование водородной связи при адсорбции. Это характерно для адсорбентов, содержащих на поверхности гидроксильные группы (силикагель, алюмогель и др.). Для этого пограничного типа адсорбции теплота составляет обычно 20-40 кДж/моль.
В связи с разнообразием адсорбционных сил единая теория адсорбции, позволяющая на основе предположений о механизме процесса составить общее математическое описание, пока отсутствует.
Поможем написать любую работу на аналогичную тему