Adsorpcja fizyczna i chemiczna.

1. Adsorpcja fizyczna i chemiczna. Porównanie i przykłady.

2. Pojęcia podstawowe • ADSORPCJA – proces zagęszczania substancji na granicy faz; • ADSORBENT – faza adsorbująca; • ADSORBAT – faza adsorbowana; • ADSORPCJA FIZYCZNA – zjawisko, w którym oddziaływania między adsorbentem a adsorbatem to siły międzycząsteczkowe, a więc siły van der Waalsa; • ADSORPCJA CHEMICZNA (CHEMISPORPCJA) – zjawisko, w którym siły działające między adsorbentem a adsorbatem mają charakter oddziaływań chemicznych.

3. Proces adsorpcji fizycznej powodowany jest przez oddziaływania elektrostatyczne (nie ma wymiany ładunku). Proces adsorpcji chemicznej powodowany jest przez oddziaływania kowalencyjne. Następuje częściowa lub całkowita wymiana ładunku pomiędzy powierzchnią a zaadsorbowaną cząstką oraz tworzy się wiązanie chemiczne. Porównanie adsorpcji fizycznej i chemicznej

4. Porównanie adsorpcji fizycznej i chemicznej Źródło: A. Bielański „Podstawy chemii nieorganicznej”, cz. 2, PWN 1994

5. Izotermy adsorpcji IZOTERMA ADSORPCJI – krzywa ilustrująca, jak w danej temperaturze zmienia się ilość zaadsorbowanej substancji w zależności od ciśnienia gazu lub stężenia roztworu. Wybrane rodzaje izoterm: • Równanie Henry’ego • Równanie Freundlicha • Izoterma Langmuira • Izoterma BET (Brunauer, Emmet, Teller) • Podział izoterm wg Brunauera

6. Izoterma adsorpcji – równanie Henry’ego Liniowa zależność: • dla gazów a = KH ∙ p • dla cieczy a = KH ∙ c a - ilość adsorbatu zaadsorbowana na jednostkę masy lub powierzchni adsorbentu KH- stała równowagi zależna od temperatury i energii adsorpcji - w przypadku zdefiniowania a jako adsorpcja na jednostkę masy adsorbentu, stała KHbędzie również zależna od jego powierzchni właściwej.

7. Izoterma adsorpcji – równanie Freundlicha Równanie nieliniowe: a = k ∙ p1/n k, n – stałe, wyznaczane doświadczalnie Po zlogarytmowaniu otrzymuje się postać liniową: log a = log k + 1/n log p

8. Rodzaje izoterm adsorpcji – wg Brunauera I – (monowarstwa) adsorpcja chemiczna, rzadko fizyczna; II – V – adsorpcja fizyczna

9. Rodzaje izoterm adsorpcji • Izoterma typu I (Langmuira) charakteryzuje się monotonicznym zbliżaniem się do adsorpcji granicznej, która odpowiada kompletnej warstwie monomolekularnej. • Izoterma typu II jest bardzo rozpowszechniona w adsorpcji fizycznej i wiąże się z powstawaniem wielomolekularnej warstwy adsorpcyjnej. • Izoterma typu III odpowiada przypadkom, gdy oddziaływanie cząsteczek adsorbatu z adsorbentem jest dużo mniejsze niż międzycząsteczkowe oddziaływanie cząsteczek adsorbatu, np. wywołane pojawieniem się wiązań wodorowych. • Izotermy typów IV i V różni się od izoterm typów odpowiednio II i III tym, że na pewnym odcinku biegną one równolegle do osi ciśnień. Przyczyną tego jest powstawanie w porach adsorbentu tylko ograniczonej liczby warstw adsorpcyjnych, ze względu na szerokość porów.

10. Izoterma I rodzaju (teoria Langmuira, 1916) Założenia teorii: • adsorpcja ma charakter dynamiczny; • na powierzchni adsorbentu znajduje się określona liczba miejsc aktywnych i na każdym z nich adsorbuje się jedna cząsteczka adsorbatu; • adsorpcja ma charakter zlokalizowany; • oddziaływania między powierzchnią ciała stałego a zaadsorbowanym gazem maleją szybko z odległością; • cząsteczki zaadsorbowane nie oddziałują między sobą; • na powierzchni adsorbentu osadza się warstwa o grubości jednej cząsteczki – warstwa monomolekularna.

11. Izoterma adsorpcji - teoria Langmuira stopień adsorpcji Θ = a / am szybkość adsorpcji Va = k1 ∙ Θ szybkość desorpcji Vd = k2 ∙ p ∙ (1 – Θ) Va = Vd k1 ∙ Θ= k2 ∙ p ∙ (1 – Θ) K = k1 / k2 (współczynnik adsorpcji) Θ = K ∙ p / (1 + K ∙ p), co daje: a = am ∙ K ∙ p / (K ∙ p + 1) (izoterma I typu) postać liniowa: p / a = p / am + 1 / (am ∙ K)

12. Izoterma adsorpcji - teoria Langmuira • a = am ∙ K ∙ p / (K ∙ p + 1) gdy K ∙ p << 1 (małe ciśnienie) a = am ∙ K ∙ p K ∙ p >> 1 (duże ciśnienie) a → am

13. Adsorpcja fizyczna - Izoterma BET(Brunauer, Emmet, Teller) p / [a ∙ (p – po)] = p ∙ (c – 1) / (am ∙po ∙ c) + 1 / (am ∙ c) parametr c = e ^ (ΔHo – ΔHk) / RT ΔHo odnosi się do powstawania monowarstwy ΔHk odnosi się do adsorpcji napierwszej warstwie

14. c = e ^ (ΔHo – ΔHa) / RT gdy | ΔHo | > | ΔHk | izoterma II typu gdy | ΔHo | < | ΔHk | izoterma III typu

15. Przykłady adsorpcji fizycznej adsorpcja na węglu aktywnym: • W medycynie (Carbo medicinalis) do usuwania bakterii i toksyn po zatruciu pokarmowym • Składnik pochłaniaczy gazów (w filtrach papierosowych, także w lodówkach i klimatyzatorach)

16. Przykłady adsorpcji chemicznej • Katalityczne uwodornienie związków organicznych przy zastosowaniu katalizatorów takich jak: niekiel Raneya, żelazo, pallad, chrom, miedź i ich mieszane tlenki; • Chemisorpcja tlenu na węglu aktywnym; po ogrzaniu wydziela się w postaci tlenków węgla.