Адсорбционное равновесие

Вещество в конденсированном состоянии обладает поверхностной энергией, обусловленной нескомпенсированностью силовых полей частиц на поверхности раздела фаз. Термин «поверхностная энергия» обычно используется применительно к границе раздела фаз «газ–твердое тело». Для границы раздела конденсированных фаз «жидкость-жидкость», «жидкость-твердое тело» применяют термин «межфазная энергия». Для границы раздела фаз «жидкость-газ (пар)» используется термин «удельная (на 1 м²) поверхностная энергия» или «поверхностное натяжение», которое равно работе образования единицы площади раздела фаз (Дж/м²).

Обычно под поверхностной энергией понимается энергия Гиббса образования поверхности DG. Она равна произведению удельной поверхностной энергии G на площадь раздела фаз S. Удельная поверхностная энергия определяется природой того или иного вещества.

Вследствие наличия поверхностной энергии на границе раздела фаз происходит накопление тех или иных частиц. Изменение (обычно повышение) концентрации вещества на границе раздела фаз называется адсорбцией.

Адсорбция – это разновидность сорбции, т.е. поглощения одного вещества другим веществом. Если вещество поглощается всем объемом другого вещества, то происходит абсорбция; если вещество концентрируется на поверхности раздела фаз, то имеет место адсорбция.

Вещество, способное поглощать, адсорбировать другое вещество, называется адсорбентом; вещество, которое может адсорбироваться, – адсорбтивом, а уже адсорбированное вещество – адсорбатом. Процесс, обратный адсорбции, называется десорбцией.

Количественной мерой адсорбции является избыток адсорбированного вещества, который равен разности концентраций вещества в поверхностном слое и в объеме раствора. Единицей измерения адсорбции является моль/м² или моль/см².

Различают физическую и химическую (хемосорбцию) адсорбцию. В первом случае при адсорбции возникают ван-дер-ваальсовы взаимодействия, во втором – химические связи.

Поскольку адсорбция протекает самопроизвольно, то энергия Гиббса адсорбции имеет отрицательное значение, DG_адс > 0. Тепловой эффект адсорбции также имеет отрицательное значение, DН_адс < 0.

В процессе адсорбции происходит упорядочивание адсорбированных частиц и энтропия системы уменьшается, т.е. S_адс < 0. Отсюда следует, что с увеличением температуры энергия Гиббса системы возрастает, и при некоторой температуре Т_р наступает равновесие, когда скорость адсорбции становится равной скорости десорбции.

При адсорбции изменяются свойства поверхностного слоя, в частности поверхностное натяжение. Адсорбирующие вещества могут понижать поверхностное натяжение (поверхностно-активные вещества – ПАВ), повышать поверхностное натяжение (поверхностно-инактивные вещества) и не влиять на поверхностное натяжение (поверхностно-неактивные вещества).