logo
физхим-гл

3.3.1. Теория мономолекулярной адсорбции

Молекулам газа выгодно адсорбироваться на твердой поверхности: в газе межмолекулярные взаимодействия малы, а на поверхности – велики. Адсорбция на границе газ – твердая поверхность (адсорбент) описывается уравнением изотермы мономолекулярной адсорбции Ленгмюра:

, (3.3)

где a – равновесная адсорбция газа (моль/г адсорбента или моль/м2 поверхности адсорбента);

аm – максимально возможная адсорбция или емкость монослоя, т.е. слоя “толщиной” с размер молекулы газа;

p – парциальное давление адсорбируемого газа;

K – константа адсорбционно-десорбционного равновесия при данной температуре.

Кинетический и термодинамический выводы этого уравнения даются в курсе лекций по физической химии. Кроме того, там же рассматриваются другие теоретические модели адсорбции и условия их применимости к реальным системам.

В случае адсорбции из жидкого раствора на твердой поверхности в уравнении (3.3) вместо p следует писать с – концентрацию адсорбируемого вещества в растворе. При адсорбции из раствора наиболее эффективно (с большей константой адсорбции K при прочих равных условиях) на твердой поверхности будут адсорбироваться молекулы вещества, наиболее близкого по строению (в частности, по полярности) к веществу адсорбента.

Для практического использования уравнение (3.3) удобно представить в линейной форме:

1/а = 1/аm + (1/аm K) (1/ с) (3.4)

Изотерма адсорбции в координатах этого уравнения приведена на рис. 3.3. Экстраполяция зависимости к 1/с = 0 (к бесконечно большой равновесной концентрации адсорбируемого вещества) дает величину 1/аm и позволяет рассчитывать аm- максимальную адсорбцию из раствора, характерную для данного адсорбента, т.е. сорбционную емкость адсорбента. Из тангенса угла наклона этой зависимости к оси абсцисс (tg = 1/аm K ) можно рассчитать константу адсорбции при температуре опыта.

Рис. 3.3. Зависимость величины адсорбции на твердом адсорбенте от равновесной концентрации (или парциального давления) адсорбируемого вещества в жидком растворе (или в газовой фазе) в координатах уравнения (3.4)

Определенную экспериментально величину (моль/г) можно использовать для определения удельной поверхности адсорбента УД (м2 / г адсорбента), если из­вестна площадь ω (м2), занимаемая на поверхности одной молекулой адсорбированного вещества (определяется из размеров молекулы):

УД = ω NА, (3.5)

где NА - число Авогадро (6,02 · 1023).

В свою очередь, известную величину УД можно использовать для расчета или ω любого вещества по его адсорбции на данном адсорбенте.

Начальный, практически линейный участок изотермы Ленгмюра (уравнение (3.3)), на котором Kp<<1 (при низких парциальных давлениях газов), называется областью Генри. В этой области а=Кгp, где Кг=Kam – константа Генри. Закон Генри лежит в основе метода газожидкостной хроматографии.