Термодинаміка адсорбції

Загальні уявлення про адсорбцію

1. Загальні положення про адсорбцію

2. Кількісні характеристики адсорбції

3. Термодинаміка адсорбції

4. Класифікація адсорбційних процесів

1. Загальні положення про адсорбцію

Процеси поглинання газів або розчинених речовин твердими речовинами або рідинами називаються сорбцією (Мак-Бен). Речовини, що поглинають, називаються сорбентами, речовини, що поглинаються – сорбтивами, поглинена речовина − сорбатом. Процес, зворотний сорбції, називають десорбцією.

Сорбенти можуть бути твердими (активоване вугілля, силікагель), рідкими (вода, краплі емульсії), газовими − пухирьки піни.

Існують два основних типи сорбційних процесів: абсорбція та адсорбція.

Абсорбцією називається поглинання газів або рідини всім об’ємом сорбента − рідиною (рідко − твердою речовиною). Прикладом абсорбції є процеси поглинання СО₂ та NH₃ водою, H₂ − пористою платиною).

Адсорбцією називається самовільний процес концентрування на твердій або рідкій поверхні розділу фаз речовини з меншим поверхневим натягом, концентрація якої в поверхневому шарі збільшується в порівнянні з кількостю в об’ємі фази.

Адсорбція зустрічається найчастіше, тому далі будуть розглядатися адсорбційні процеси. Більш щільна фаза (визначає форму поверхні) називається адсорбентом, речовина, молекули якої сорбуються – адсорбтивом,адсорбована речовина – адсорбатом.

Кількісні характеристики адсорбції

Для кількісної характеристики адсорбції викристовують величину надлишкової чи гіббсової адсорбції (Г). Гіббсова адсорбція −це різниця (надмір або недостача) кількості (у молях) адсорбуємої речовини n_пов− n_об на одиниці площі поверхневого шару S в порівнянні з її кількістю в об’ємі фази.

Г = ,

Якщо виміряти площу поверхні розділу важко, використовується питома адсорбція a – кількість, об’єм або маса адсорбованої речовини (адсорбату) в одиниці маси адсорбенту m.

a_і = моль/кг , a_{і =} кг/кг.

Гіббсова адсорбція та питома адсорбція за змістом не співпадають. Гіббсова адсорбція означає надлишок поверхневої концентрації в порівнянні з концентрацією в обۥємі, а абсолютна − саме концентрацію адсорбованої речовини.

Термодинаміка адсорбції

Адсорбція – самовільний процес, який протікає при Р = const зі зни­женням енергії Гіббса, а при V = const −зі зниженням енергії Гельмгольца. При переході речовини з газо­вої чи рідкої фази на поверхню зменшується рухливість адсорбованих молекул, тому ентропія теж зменшується (DS < 0).

Оскільки при адсорбції DG < 0, DS < 0, то DН < 0 (за основним рівнянням термодинаміки (DН = DG + TDS), тому адсорбція – процес завжди екзотермічний.

Мірою інтенсивності адсорбційних сил, тобто сил взаємодії моле­кул адсорбата з поверхнею адсорбента та між собою є теплота адсорбції. Теплоту ад­сорбції обчислюють за рівнянням:

Q = .

Приклад 1. 10 мл СО₂ (н. у.) адсорбується активованим вугіллям при 303 К під тиском 79980 Па і при 273 К під тиском 23061Па. Визначити теплоту, що виділилася під час цього процесу.

Розв'язання:

1. Q_М − ?

Q = = = 28,5 кДж/моль.

2. . Q_проц − ?

n = V/V_M = 0,01:22,4 = 4,5·10^─4 моль.

Q_проц = Q_М ·n = 28,5 ·4,5·10^─4 = 128,3·10^─4 кДж.

Відповідь: Q_проц = 128,3·10^─4 кДж.

Розрізняють інтегральну та ди­ференційну теплоти адсорбції.

Інтегральною теплотою адсорбції Q називається повна кількість теп­лоти, що виділяється при адсорбції n молей адсорбата на оди­ниці маси адсорбента (Дж/кг адсорбента). Інтегральна теплота адсорбції не пропорційна кількості адсорбованої речовини тому, що на початку процесу адсорбція відбувається на найбільш активних центрах з максимальним тепловим ефектом, а в кінці процесу – протікає на найменш ак­тивних центрах, при цьому виділяється незначна кількість тепла.

Диференціальною теплотою адсорбції q нази­вають додаткову кількість теплоти dQ, що виділилась при додатковій ад­сорбції одного моля адсорбата, (Дж/моль адсорбата), тобто

.

Диференціальна теплота залежить від кількості адсор­бованої речовини. Вона зменшується при подальшому протіканні процесу внаслідок того, що молекули адсорбата в міру насичення найбільш активних центрів адсорбуються все менш активними ділянками.

Поиск по сайту: