Сорбція

На поверхні розподілу фаз завжди існує вільна енергія, яка зумовлює ряд властивостей. До цих властивостей відноситься сорбція - поглинання газів, парів і розчинених речовин твердими тілами і рідинами. Поглинач називають сорбентом, поглинену речовину – сорбтивом. Існує чотири види сорбції – адсорбція, абсорбція, капілярна конденсація і хемосорбція.

Адсорбція – це поглинання однієї речовини з газового або рідкого середовища поверхнею другої за рахунок вільної поверхневої енергії. В процесі адсорбції завжди приймають участь два компоненти – адсорбент – речовина, на поверхні якої відбувається адсорбція і адсорбтив – речовина, яка накопичується на поверхні адсорбента. Механізм адсорбції полягає в прагненні речовини зменшити свою вільну поверхневу енергію за рахунок накопичення на своїй поверхні різних поверхнево активних речовин. На поверхні адсорбента є активні центри, на яких відбувається його взаємодія з адсорбтивом. Адсорбція припиняється тоді, коли всі активні центри на поверхні адсорбента будуть зайняті адсорбованою речовиною.

Абсорбція – це поглинання речовини всією масою адсорбента.

Коли адсорбтив вступає в хімічну реакцію з адсорбентом, то таке явище називається хемосорбцією. При сорбції парів високопористими тілами спостерігається капілярна конденсація.

Фізична адсорбція виникає за рахунок ван-дер-ваальсових взаємодій (відносно слабкі міжмолекулярні сили зчеплення). Вона характеризується доброю оборотністю та зменшенням адсорбції при підвищенні температури (наприклад при поглинанні кисню, водню або інертних газів поверхнею скла, кварцу). Фізична адсорбція супроводжується невеликим, завжди позитивним тепловим ефектом, який у середньому дорівнює теплоті конденсації газу (8*10⁶….20*10⁶ дж*кмоль^-1).

Для фізичної адсорбції характерні як нелокалізована адсорбція, коли молекули адсорбату здатні рухатися по поверхні адсорбенту, так і локалізована адсорбція. З підвищенням температури локалізована фізична адсорбція може переходити у нелокалізовану. Фізична адсорбція є мимовільним динамічним процесом. Наряду з адсорбцією йде зворотній процес – десорбція, яка характеризується видаленням адсорбованих молекул із поверхні адсорбенту. Швидкість адсорбції з плином часу зменшується, десорбції збільшується. Ці зміни відбуваються до тих пір, поки обидві швидкості не стають однаковими, тобто поки не наступає адсорбційна рівновага:

Адсорбція ↔ десорбція

Для кожної температури існує свій стан рівноваги. Чим вища концентрація адсорбату, тим більша адсорбція, а чим вища температура, тим нижча фізична адсорбція (принцип Ле Шател’є).

Хімічна адсорбція (хемосорбція) здійснюється тільки шляхом хімічної взаємодії. Майже необоротна, тепловий ефект наближається до енергії утворення хімічних поєднань. Хемосорбція є хімічним процесом, якому необхідна енергія активації порядку 40…120кДж/моль, підвищення температури сприяє хемосорбції.

При хімічній адсорбції молекули адсорбату, пов’язані з адсорбентом міцними хімічними силами, не можуть переміщуватися по поверхні останнього (локалізована адсорбція).

При адсорбції з розчинів наряду з адсорбцією розчиненої речовини (адсорбату) на поверхні адсорбента може відбуватися і адсорбція самого розчинника. У результаті цього між адсорбатом і розчинником відбувається «конкуренція за розчинник» і чим слабше адсорбується розчинник, тим краще адсорбується розчинена речовина з розчину (адсорбат). При малих концентраціях переважає адсорбція молекул розчиненої речовини, а при великих – адсорбція розчинника. Адсорбція речовини з розчину відбувається повільно, тому що зменшення концентрації на граничному шарі може поповнюватися тільки шляхом дифузії розчиненої речовини у пори адсорбента (молекулярна адсорбція, або адсорбція неелектролітів).

На поверхні кристалічного твердого тіла із розчину адсорбується той з іонів, який входить до скалу кристалічної решітки або може утворювати з одним із іонів решітки малорозчинну сполуку (правило Фаянса – Пєскова). Адсорбція з розчину катіона або аніона залежить від природи адсорбенту або від природи іонів – їх заряду, радіуса та ступеня гідратації. Чим більше заряд іона, тим краще він адсорбується. З іонів із однаковим зарядом краще адсорбується іон, який має найбільший радіус, тому що він має найменшу ступінь гідратації. Гідратна оболонка перешкоджає адсорбції іонів, і чим вона менша, тобто чим менша ступінь гідратації, тим краще іон адсорбується (іонна адсорбція).

Гідрофобні адсорбенти (вугілля, тальк) краще адсорбують органічні речовини з водних розчинів, а гідрофільні адсорбенти (силікагель, глини) краще адсорбують їх з неполярних та слабко полярних рідин.

Обмінна адсорбція представляє собою процес обміну іонів між розчином та твердою фазою – адсорбентом, точніше, обмін іонів між подвійним електричним шаром адсорбента та середовищем. При цьому тверда фаза поглинає з розчину іони одного знака (катіони або аніони) і замість них виділяє у розчин еквіваленту кількість інших іонів того ж самого знаку.

Масу a речовини, молекулярно – адсорбованого 1 кг адсорбента з розчину вираховують з рівняння:

, де

C₀ та C₁ - початкова і рівно вагова концентрація адсорбата відповідно, кмоль/м³:

V – об’єм розчину, з якого відбувається адсорбція,м³,

m – маса адсорбента, кг