Transcript Adsorpcja
Adsorpcja fizyczna i chemiczna.
Porównanie i przykłady.
Pojęcia podstawowe
ADSORPCJA – proces zagęszczania substancji na granicy faz; ADSORBENT – faza adsorbująca; ADSORBAT – faza adsorbowana; ADSORPCJA FIZYCZNA – zjawisko, w którym oddziaływania między adsorbentem a adsorbatem to siły międzycząsteczkowe, a więc siły van der Waalsa; ADSORPCJA CHEMICZNA (CHEMISPORPCJA) – zjawisko, w którym siły działające między adsorbentem a adsorbatem mają charakter oddziaływań chemicznych.
Porównanie adsorpcji fizycznej i chemicznej Proces adsorpcji fizycznej powodowany jest przez oddziaływania elektrostatyczne (nie ma wymiany ładunku).
Proces adsorpcji chemicznej powodowany jest przez oddziaływania kowalencyjne. Następuje częściowa lub całkowita wymiana ładunku pomiędzy powierzchnią a zaadsorbowaną cząstką oraz tworzy się wiązanie chemiczne.
Porównanie adsorpcji fizycznej i chemicznej
parametr adsorpcja fizyczna
siły van der Waalsa
adsorpcja chemiczna
wiązania chemiczne
rodzaj oddziaływań energia aktywacji
zerowa duża
odwracalność procesu ΔG [kJ ∙ mol -1 ] ilość warstw zależność od temperatury
odwracalny -10 1 (ciepło skraplania gazu) wielowarstwowa ↑ T ↓ adsorpcja
Źródło: A. Bielański „Podstawy chemii nieorganicznej”, cz. 2, PWN 1994
raczej nieodwracalny -10 2 (ciepło reakcji chemicznej) jednowarstwowa ↑ T może ↑ adsorpcja
Izotermy adsorpcji
IZOTERMA ADSORPCJI – krzywa ilustrująca, jak w danej temperaturze zmienia się ilość zaadsorbowanej substancji w zależności od ciśnienia gazu lub stężenia roztworu.
Wybrane rodzaje izoterm: Równanie Henry’ego Równanie Freundlicha Izoterma Langmuira Izoterma BET (Brunauer, Emmet, Teller) Podział izoterm wg Brunauera
Izoterma adsorpcji – równanie Henry’ego
Liniowa zależność: dla gazów a = K H ∙ p dla cieczy a = K H ∙ c
a
ilość adsorbatu zaadsorbowana na jednostkę masy lub powierzchni adsorbentu
K H
stała równowagi zależna od temperatury i energii adsorpcji - w przypadku zdefiniowania
a
jako adsorpcja na jednostkę masy adsorbentu, stała
K H
właściwej.
będzie również zależna od jego powierzchni
Izoterma adsorpcji – równanie Freundlicha
Równanie nieliniowe:
a = k ∙ p
1/n k, n – stałe, wyznaczane doświadczalnie Po zlogarytmowaniu otrzymuje się postać liniową: log a = log k + 1/n log p
Rodzaje izoterm adsorpcji –
wg Brunauera I – (monowarstwa) adsorpcja chemiczna, rzadko fizyczna; II – V – adsorpcja fizyczna
Rodzaje izoterm adsorpcji
Izoterma typu I (Langmuira)
charakteryzuje się monotonicznym zbliżaniem się do adsorpcji granicznej, która odpowiada kompletnej warstwie monomolekularnej.
Izoterma typu II
jest bardzo rozpowszechniona w adsorpcji fizycznej i wiąże się z powstawaniem wielomolekularnej warstwy adsorpcyjnej.
Izoterma typu III
odpowiada przypadkom, gdy oddziaływanie cząsteczek adsorbatu z adsorbentem jest dużo mniejsze niż międzycząsteczkowe oddziaływanie cząsteczek adsorbatu, np. wywołane pojawieniem się wiązań wodorowych.
Izotermy typów IV i V
różni się od izoterm typów odpowiednio II i III tym, że na pewnym odcinku biegną one równolegle do osi ciśnień. Przyczyną tego jest powstawanie w porach adsorbentu tylko ograniczonej liczby warstw adsorpcyjnych, ze względu na szerokość porów.
Izoterma I rodzaju
(teoria Langmuira, 1916) Założenia teorii: adsorpcja ma charakter dynamiczny; na powierzchni adsorbentu znajduje się określona liczba miejsc aktywnych i na każdym z nich adsorbuje się jedna cząsteczka adsorbatu; adsorpcja ma charakter zlokalizowany; oddziaływania między powierzchnią ciała stałego a zaadsorbowanym gazem maleją szybko z odległością; cząsteczki zaadsorbowane nie oddziałują między sobą; na powierzchni adsorbentu osadza się warstwa o grubości jednej cząsteczki –
warstwa monomolekularna.
Izoterma adsorpcji -
teoria Langmuira stopień adsorpcji szybkość adsorpcji szybkość desorpcji
Θ = a / a m V a = k 1 ∙ Θ V d = k 2 ∙ p ∙ (1 – Θ) V a = V d
k 1 ∙ Θ = k 2 ∙ p ∙ (1 – Θ) K = k 1 / k 2 (współczynnik adsorpcji) Θ = K ∙ p / (1 + K ∙ p), co daje: a = a m postać liniowa: ∙ K ∙ p / (K ∙ p + 1) (izoterma I typu)
p / a = p / a m + 1 / (a m ∙ K)
Izoterma adsorpcji -
teoria Langmuira l
a = a
m
∙ K ∙ p / (K ∙ p + 1) gdy K ∙ p << 1
(małe ciśnienie)
K ∙ p >> 1
(duże ciśnienie)
a = a
m
∙ K ∙ p a → a
m
Adsorpcja fizyczna - Izoterma BET
(Brunauer, Emmet, Teller)
p / [a ∙ (p – p o )] = p ∙ (c – 1) / (a m ∙ p o ∙ c) + 1 / (a m ∙ c)
parametr c = e ^ ( ΔH o – ΔH k ) / RT ΔH o odnosi się do powstawania monowarstwy ΔH k odnosi się do adsorpcji na pierwszej warstwie
c = e ^ ( ΔH o – ΔH a ) / RT gdy | ΔH o | > | ΔH k | gdy | ΔH o | < | ΔH k | izoterma II typu izoterma III typu
Przykłady adsorpcji fizycznej adsorpcja na węglu aktywnym:
W medycynie (
Carbo medicinalis
) do usuwania bakterii i toksyn po zatruciu pokarmowym Składnik pochłaniaczy gazów (w filtrach papierosowych, także w lodówkach i klimatyzatorach)
Przykłady adsorpcji chemicznej
Katalityczne uwodornienie związków organicznych przy zastosowaniu katalizatorów takich jak: niekiel Raneya, żelazo, pallad, chrom, miedź i ich mieszane tlenki; Chemisorpcja tlenu na węglu aktywnym; po ogrzaniu wydziela się w postaci tlenków węgla.