Явление адсорбции.

Как известно, всякая поверхность, независимо от агрегатного состояния разделяемых ею веществ, обладает некоторым запасом свободной энергии. В силу второго начала термодинамики поверх­ность раздела веществ (как и любая система, обладающая запасом свободной энергии) стремится к самопроизвольному уменьшению этой энергии. Это стремление и является прямой или косвенной причиной разнообразных физических явлений, в том числе и ад­сорбции.

Адсорбция — это в широком смысле процесс самопроизвольного изменения концентрации вещества у поверхности раздела двух фаз, а в более узком и употребительном смысле — это повышение кон­центрации одного вещества у поверхности раздела двух фаз, из которых одна обычно является твердым телом. В соответствии с об­щей терминологией по сорбции вещество, на поверхности которого происходит накопление другого вещества, носит название адсор­бента, а поглощаемое вещество — адсорбтива или адсорбата.

Количество поглощенного вещества на 1 м² поверхности адсор­бента называется удельной адсорбцией. Так как поверхность любо­го адсорбента практически измерить трудно, адсорбцию выражают в молях на 1 кг адсорбента и обозначают буквой А:

5.1

Связь между обоими выражениями удельной адсорбции имеет сле­дующий вид:

5.2

Величина удельной адсорбции Г для данного адсорбента и дан­ного адсорбтива зависит от двух термодинамических параметров: температуры Т и давления р при газообразном адсорбтиве и от температуры и концентрации С при адсорбции из раствора.

Как показали исследования, процессы адсорбции (так же как и другие виды сорбционных процессов) обратимы. Частицы, нахо­дящиеся в адсорбционных слоях, не закреплены жестко. Некото­рые из них могут выходить за пределы действия сил притяжения адсорбента, т. е. отрываться от поверхности адсорбента и уходить в окружающее пространство (десорбция). Со временем оба процес­са приводят систему в состояние адсорбционного равновесия:

адсорбция ↔ десорбция,

при котором среднее число частиц, покидающих поверхностный слой, становится равным числу адсорбируемых частиц за тот же отрезок времени.

Процесс адсорбции экзотермичен, следовательно, в соответст­вии с принципом Ле Шателье его выгодно осуществлять при срав­нительно низких температурах. Опыт показывает, что с повышени­ем температуры в силу увеличения колебания частиц, адсорбиро­ванных поверхностью, равновесие сдвигается в сторону процесса десорбции.

Помимо обратимости и экзотермичности, адсорбция характери­зуется и третьим общим признаком — чрезвычайно малой энергией активации, т.е. низким энергетическим барьером, а следовательно, большой скоростью ее протекания. Благодаря этому адсорбция с энергетической стороны имеет много сходного с обратимыми экзо­термическими химическими реакциями, однако отличается от них и от хемосорбции гораздо меньшим значением теплового эффекта.

Чаще всего адсорбция носит избирательный характер. Так, рас­смотренный нами активированный уголь хорошо поглощает не только аммиак, но и хлор, однако не адсорбирует окись углерода. Поэтому нельзя пользоваться обычным противогазом при тушении пожаров, так как в зоне пожара всегда много окиси углерода.