Zjawiska powierzchniowe

Transkrypt

1 Zjawiska powierzchniowe Adsorpcja Model Langmuira Model BET 1

2 Zjawiska powierzchniowe Adsorpcja Proces gromadzenia się substancji z wnętrza fazy na granicy międzyfazowej; Wynika z tego, że w obszarze powierzchniowym w przeciwieństwie do wnętrza fazy, nie wszystkie oddziaływania są wysycone, z czym związany jest pewien nadmiar energii swobodnej układu; Na granicy faz będą zachodzić procesy, które prowadzą do obniżenia energii powierzchniowej. Adsorpcja jest takim procesem; 2

3 Adsorpcja Rodzaje adsorpcji: W zależności od rodzaju oddziaływań między substancją adsorbowaną, a tą, która adsorbuje, można rozróżnić: Adsorpcja fizyczna (fizysorpcja): jest uwarunkowana stosunkowo słabymi siłami międzycząsteczkowymi (oddziaływania van der Waalsa); jest odwracalna, wzrost temperatury powoduje desorpcję; efekt cieplny (entalpia) jest niewielki i ujemny; Adsorpcja chemiczna (chemisorpcja): jest uwarunkowana znacznie silniejszymi oddziaływaniami powstają wiązania chemiczne między adsorbatem i adsorbentem; jest raczej nieodwracalna, wzrost temperatury powoduje wzrost szybkości adsorpcji; efekt cieplny (entalpia) jest duży, zbliżony do wartości ciepła reakcji; 3

4 Adsorpcja Adsorpcja może zachodzić na różnych granicach faz: ciało stałe gaz; ciało stałe ciecz; ciecz ciecz; ciecz gaz; Największe znaczenie ma adsorpcja gazów na ciele stałym; Adsorpcja gazów na ciele stałym Gdy zaadsorbowany gaz znajduje się w równowadze dynamicznej z fazą gazową, to stopień pokrycia powierzchni ciała stałego zależy od ciśnienia tego gazu (p). 4

5 Adsorpcja gazów na ciele stałym Stopień pokrycia q definiuje się jako ilość substancji zaadsorbowanej na próbce w danym momencie (V) do maksymalnej ilości adsorbatu, która może ulec sorpcji na badanym materiale (V max ). q V V max Krzywe ilustrujące jak w danej temperaturze zmienia się ilość zaadsorbowanej substancji (q) w zależności od ciśnienia gazu nosi nazwę izotermy adsorpcji. 5

6 Wśród wielu teorii opisujących zjawisko adsorpcji gazu na ciele stałym największe znaczenie mają dwie: Langmuira oraz Brunauera-Emmeta-Tellera Model Langmuira Założenia: Na powierzchni adsorbatu są specyficzne miejsca (centra aktywne), na których zachodzi adsorpcja; Na każdym centrum aktywnym może zaadsorbować się tylko jedna cząsteczka; Cząsteczki zaadsorbowane na centrach aktywnych nie oddziałują ze sobą nawzajem; Siła, z którą powierzchnia ciała stałego działa na gaz ma tak mały zasięg, że może wytworzyć się tylko warstwa jednocząsteczkowa (monomolekularna); Równowaga adsorpcji ma charakter dynamiczny w jednostce czasu tyle samo cząsteczek adsorbatu opuszcza powierzchnię ile zostaje zaadsorbowanych; 6

7 Model Langmuira ułamek wyrażający jaka część powierzchni została pokryta cząstkami adsorbatu Szybkość adsorpcji: Szybkość desorpcji: v ads k a v des k d p( 1 ) W stanie równowagi szybkości obu procesów są jednakowe: v k p(1 ) k ads v des a d K p ka K 1 K p k d V V n m n m 7

8 Model Brunauera-Emmeta-Tellera (BET) Gdy pierwsza warstwa adsorpcyjna jest podłożem dla dalszej adsorpcji (fizycznej) mamy do czynienia z adsorpcją wielowarstwową. Najczęściej spotykanym modelem opisującym tego typu sorpcję jest izoterma BET, wyprowadzona przez Brunnauera, Emmetta i Tellera: Całkowita ilość zaadsorbowanej substancji jest równa sumie ilości zawartych w poszczególnych warstwach. Stosując do każdej warstwy równanie Langmuira otrzymujemy równanie izotermy adsorpcji BET: q V V mon 1 p p 0 p C p 1 0 p 1 C p 0 p 0 - prężność pary nasyconej adsorbatu, V mon - objętość monowarstwy, C - stał określona przez różnicę miedzy ciepłem adsorpcji w pierwszej warstwie monomolekularnej i ciepłem skraplania. 8

9 NASTĘPNE ZAJĘCIA 12 stycznia 2017