Adsorpcja - Polski Serwis Naukowy

W Wikimedia Commons znajdują się multimedia związane z tematem:
Adsorpcja

Adsorpcja – to proces wiązania się cząsteczek, atomów lub jonów na powierzchni lub granicy faz fizycznych, powodujący lokalne zmiany stężenia. Adsorpcji nie należy mylić z absorpcją, która jest procesem wnikania do wnętrza fazy. Adsorpcję, absorpcję i wymianę jonową przyjęło się wspólnie nazywać procesami sorpcji.

Atom (z gr. ἄτομος atomos: "niepodzielny") – najmniejszy składnik materii, któremu można przypisać właściwości chemiczne. Atomistyczną teorię budowy materii sformułował w roku 1808 John Dalton.
Absorpcja (łac. absorbere – wchłaniać) w chemii fizycznej – proces polegający na wnikaniu cząsteczek, atomów lub jonów do wnętrza innej substancji tworzącej dowolną fazę ciągłą (gazu, cieczy, ciała stałego itp.) Absorpcji nie należy mylić z adsorpcją, która jest zjawiskiem powierzchniowym. Absorpcja, adsorpcja i wymiana jonowa są wspólnie nazywane procesami sorpcji.

Proces odwrotny do adsorpcji, absorpcji czy ogólnie sorpcji to desorpcja.

W przemyśle proces adsorpcji i desorpcji prowadzi się z użyciem adsorberów.

Przykłady

Proste przykłady adsorpcji to np.:

pochłanianie zapachów przez filtr węglowy w lodówce lub samochodzie,

pochłanianie toksyn przez węgiel medyczny (carbo medicinalis) z przewodu pokarmowego pacjenta

Przykład absorpcji:

rozpuszczanie gazów (np. dwutlenku węgla, składników powietrza) w wodzie.

Wielkość adsorpcji zależy bezpośrednio od wielkości powierzchni oddzielającej dwie fazy (powierzchni adsorbentu), wielkość absorpcji zależy od objętości fazy, w której zjawisko zachodzi.

Izoterma adsorpcji to zależność ilości zaadsorbowanej substancji od stężenia lub ciśnienia adsorbatu przy ustalonej temperaturze. Zob. też ogólnie izoterma. Izoterma adsorpcji może być uznana za szczególny przypadek izotermy sorpcji, które to określenie nie precyzuje mechanizmu zjawiska (sorpcja to adsorpcja, absorpcja, wymiana jonowa lub też zjawisko mieszane). Najczęściej określenie to jest rozumiane jako równanie izotermy adsorpcji, a czasami jako model fizyczny odpowiadający określonemu równaniu. Zobacz poniżej listę znanych równań izoterm adsorpcji.
Izoterma Tótha opisuje fizyczną adsorpcję adsorpcję zlokalizowaną i odpowiada asymetrycznemu quasigaussowskiemu rozkładowi energii adsorpcji poszerzonemu w kierunku niskich energii adsorpcji. Można ją uważać za szczególny przypadek 4-parametrowej izotermy GL, w której parametr m określający kształt funkcji od strony wysokich energii m=1.

Podstawy fizyczne

Adsorpcja fizyczna i chemiczna

Najczęściej terminem adsorpcja określa się proces wiązania substancji gazowej na powierzchni substancji ciekłej lub stałej, lub też proces wiązania substancji ciekłej na powierzchni substancji stałej. Może mieć charakter chemiczny (chemisorpcja - reakcja chemiczna) lub fizyczny (adsorpcja fizyczna, lub niezbyt precyzyjnie fizysorpcja). Adsorpcja ma charakter powierzchniowy, czym różni się od absorpcji polegającej na pochłanianiu w całej objętości (mechanizm podziałowy - zobacz prawo podziału Nernsta). Często procesy adsorpcji oraz absorpcji występują równocześnie i mówimy wtedy o sorpcji. Termin sorpcja stosujemy również wtedy gdy nie chcemy lub nie możemy sprecyzować mechanizmu zjawiska.

Spektrofotometria - technika spektroskopowa polegająca na ilościowym pomiarze absorpcji, emisji lub odbicia światła. W technikach spektrofotometrycznych mierzy się, a także porównuje z wzorcem intensywność światła dla poszczególnych częstości (lub długości fali) widma spektroskopowego, natomiast w pozostałych technikach spektroskopowych pomiar intensywności światła na ogół ma drugorzędne znaczenie, a bardziej istotne jest występowanie i kształt sygnałów w widmach. Od zwykłej fotometrii różni się zaś tym, że umożliwia pomiar światła w zależności od długości światła.
Izoterma Kisielewa – równanie izotermy adsorpcji zlokalizowanej gazu na powierzchni homogenicznej (powierzchni energetycznie jednorodnej) uwzględniające oddziaływania specyficzne adsorbat-adsorbat typu asocjacji. Izotermę tę wykorzystuje się w dwu zasadniczych postaciach:

Substancja gromadząca się na powierzchni to adsorbat, substancja przyjmująca to adsorbent.

Adsorpcja może zachodzić z fazy nieruchomej w warunkach statycznych lub z fazy ruchomej w warunkach dynamicznych. Zdolność adsorpcyjna to masa adsorbatu, która może być zaadsorbowana przez jednostkę masy adsorbentu. Jest ona zależna od wielu zmiennych i wyznaczana doświadczalnie dla danego płynu i warunków ( ciśnienie, temperatura, rodzaj i czas zetknięcia).

Stała gazowa (uniwersalna stała gazowa) (oznaczana jako R) – stała fizyczna równa pracy wykonanej przez 1 mol gazu doskonałego podgrzewanego o 1 kelwin (stopień Celsjusza) podczas przemiany izobarycznej.
Makropory to wg IUPAC pory w ciele stałym o charakterystycznym wymiarze poprzecznym (średnica) w zakresie powyżej 50 nm (czasami średnica określana jest jako większa niż 100 nm). Podobnie jak w mniejszych porach, może w nich następować kondensacja kapilarna cząsteczek gazów (par), jednak efekt ten jest dużo słabszy niż w przypadku mezoporów. Makropory bada się za pomocą metod porozymetrii rtęciowej lub piknometrycznie.

Zjawisko może mieć charakter monowarstwowy (tzn. jednowarstwowy) - np. chemisorpcja jest z reguły monowarstwowa - lub wielowarstwowy (poliwarstwowy), np. adsorpcja par przy ciśnieniu bliskim ciśnieniu pary nasyconej, gdy następuje samorzutna kondensacja pary.

Adsorpcja fizyczna - zlokalizowana i mobilna

W przypadku adsorpcji fizycznej dalsze rozróżnienie związane jest z możliwością przemieszczania się cząsteczek adsorbatu po powierzchni adsorbentu. Jeżeli bariera potencjału pomiędzy sąsiednimi miejscami jest duża w porównaniu z energią kinetyczną zaadsorbowanych cząsteczek (2 stopnie swobody dla ruchu na płaszczyźnie, Ekin,2D = kT), wówczas mówimy o adsorpcji zlokalizowanej, jeżeli ta bariera jest znacznie mniejsza, wówczas przeważa charakter mobilny (cząsteczki poruszają się dość swobodnie po powierzchni), przy wielkości bariery ~kT mówimy o adsorpcji częściowo mobilnej.

Izoterma LGD (izoterma Lopez-Gonzaleza i Dietza) to 2-parametrowe równanie, które opisuje adsorpcję wielowarstwową na powierzchni homogenicznej (energetycznie jednorodnej). Jest prostą izotermą adsorpcji o charakterze eksperymentalnym, powstałą w wyniku spostrzeżenia, że dane izoterm doświadczalnych dobrze opisywanych w obszarze niskich i średnich ciśnień względnych x (z reguły od 0,05 do 0,4) przez znane izotermy teoretyczne, leżą zwykle pomiędzy nimi. Przewidywania dalszego przebiegu (x > 0,4) za pomocą izotermy BET dawały zbyt wysokie wartości adsorpcji, natomiast dla izotermy Hüttiga przewidywania były zbyt niskie. Stąd badacze zaproponowali stosowanie prostego równania będącego w istocie średnią arytmetyczną równań izoterm BET i Hüttiga:
Izoterma GL czyli uogólniona izoterma Langmuira (ang. Generalized Langmuir isotherm), znana też jako izoterma MJ, opisuje fizyczną adsorpcję zlokalizowaną i odpowiada quasigaussowskiemu rozkładowi energii adsorpcji. To 4-parametrowe równanie może opisywać układy o różnych charakterystykach jednomodalnej funkcji rozkładu energii adsorpcji. W zależności od wartości dwu parametrów heterogeniczności funkcja rozkładu może być symetryczna (m ≈ n; przypadek m=n odpowiada izotermie Langmuira-Freundlicha), może być rozciągnięta w kierunku wysokich energii adsorpcji (n > m; przypadek szczególny n=1 odpowiada uogólnionej izotermie Freundlicha) lub w kierunku niskich energii (n < m; przypadek szczególny m=1 odpowiada izotermie Tótha). Zaletą izotermy w porównaniu z jej szczególnymi przypadkami jest jej elastyczność, możliwość opisania całego spektrum przypadków pośrednich:

Mobilność adsorpcji powoduje zmniejszenie adsorpcji (cząsteczki bardziej sobie przeszkadzają). Niezależnie od ruchów w płaszczyźnie powierzchni, cały czas zachodzą procesy adsorpcji na powierzchni i desorpcji już zaadsorbowanych cząsteczek co warunkuje istnienie równowagi dynamicznej pomiędzy procesami adsorpcji i procesami desorpcji. Zobacz więcej: adsorpcja zlokalizowana i mobilna.

Asocjacja cząsteczek to wiązanie się pojedynczych cząsteczek związków chemicznych w zespoły cząsteczkowe (asocjaty). Asocjacja występuje przede wszystkim w czystych cieczach i ich mieszaninach, (np. w wodzie i alkoholu metylowym).
Jon – atom lub grupa atomów połączonych wiązaniami chemicznymi, która ma niedomiar lub nadmiar elektronów w stosunku do protonów. Obojętne elektrycznie atomy i cząsteczki związków chemicznych posiadają równą liczbę elektronów i protonów, jony zaś są elektrycznie naładowane dodatnio lub ujemnie.

czytaj dalej: [2], [3]

w oparciu o Wikipedię (licencja GFDL, CC-BY-SA 3.0, autorzy, historia, edycja)