Zjawiska powierzchniowe

Sorpcja

Sorpcja

Adsorpcja –

oddziaływanie między

cząsteczkami na

powierzchni sorbenta

Absorpcja –

oddziaływanie miedzy

cząsteczkami w całej

objętości sorbenta

Adsorpcja

Adsorpcja fizyczna –

oddziaływania

pomiędzy cząstkami to

głównie słabe siły Van

der Waalsa

Adsorpcja chemiczna -

oddziaływania mają

charakter wiązań

chemicznych

Pojęcia podstawowe

Adsorber –

faza adsorbująca

Adsorbat –

faza adsorbowana

Ilość adsorbatu oddziaływującego z adsorberem

w stałej temperaturze określa krzywa, nosząca

nazwę

izotermy adsorpcji

Porównanie adsorpcji fizycznej

i chemisorpcji

Adsorpcja fizyczna

Chemisorpcja

Przyczyna

oddziaływanie van der

Waalsa

wiązania jonowe lub

kowalencyjne,

Adsorbent

wszystkie ciała stałe

niektóre

Odwracalność procesu

odwracalna

raczej nieodwracalna

Temp.

niskie

generalnie wysokie

Ciepło sorpcji

niskie, 10 kJ/mol

wysokie, 80-200 kJ/mol

Szybkość

bardzo szybka

silnie zależy od temp.

Energia aktywacji

niska

wysoka

Pokrycie powierzchni

wielowarstwowe

jednowarstwowe

Izotermy adsorpcji

• Izoterma Langmuira,
• Izoterma Freundlicha,
• Izoterma BET

Założenia modelu Langmuira

• powierzchnia stałych adsorbentów ma na swej

powierzchni szczególnie aktywne miejsca zwane
centrami aktywnymi,

• proces adsorpcji zachodzi na centrach aktywnych,
• każde centrum może zaadsorbować tylko jedną cząstkę,

czyli adsorbent pokrywa się tylko jedną warstwą,

• cząsteczki zaadsorbowane na centrach adsorpcji nie

oddziałują wzajemnie na siebie,

• proces adsorpcji ma charakter dynamicznej równowagi

pomiędzy adsorpcją i procesem odwrotnym do
adsorpcji – desorpcją.

Stopień pokrycia powierzchni θ lub inaczej, ułamek

zapełnienia powierzchni określa wyrażenie:

gdzie:
n — liczba moli substancji zaadsorbowanej przez daną

masę adsorbentu (liczba zajętych centrów

adsorpcyjnych),

n

m

– liczba moli przy której następuje zapełnienie

wszystkich centrów adsorpcyjnych.

m

n

n





Zgodnie z tą definicją:

Szybkość adsorpcji jest proporcjonalna do

ciśnienia gazu i do ułamka powierzchni nie
obsadzonej:

Szybkość desorpcji jest proporcjonalna do

ułamka powierzchni pokrytej:

W stanie równowagi, szybkość adsorpcji i

desorpcji są sobie równe.

1

0











p

k

r

ads







1



'

k

r

ads











'

1

k

p

k





Po prostych przekształceniach otrzymujemy związek między

stopniem pokrycia powierzchni, a ciśnieniem w postaci:

gdzie: zwany jest współczynnikiem adsorpcji.

Uwzględniając definicję stopnia obsadzenia :




Zależność powyższa nosi nazwę izotermy Langmuira.

bp

bp





1



'

k

k

b



m

n

n





 

mol

bp

bp

n

n

m





1

Schemat adsorpcji wg teorii Langmuira,

powierzchnia pokryta monowarstwą adsorbatu:

Izoterma adsorpcji wg teorii Langmuira

Izoterma Langmuira, opisuje dobrze przypadki chemisorpcji

Izoterma Fruendlicha

Adsorpcja na granicy faz ciało stał roztwór ciekły,

jest procesem bardziej złożonym od adsorpcji
gazów. Wielkość adsorpcji zależy tutaj od
oddziaływania pomiędzy adsorbentem, a
każdym ze składników roztworu. Najczęściej
stan równowagi adsorpcyjnej opisywany jest
przez empiryczne równanie Freundlicha.

Równanie empiryczne Freundlicha

a – oznacza jak poprzednio, liczbę moli substancji

zaadsorbowanej przez 1g adsorbentu,

c – stężenie molowe roztworu w stanie równowagi

adsorpcyjnej,

k i n – wielkości stałe (zależne od temperatury,

rodzaju adsorbentu i rodzaju substancji

adsorbowanej), n<1.

n

kc

a



Często stosuje się postać równania, określającą

masę substancji zaadsorbowanej i ułamkową
wartość wykładnika potęgowego:

gdzie:
x – oznacza masę substancji zaadsorbowanej z

roztworu przez m gramów adsorbentu,

k, c, n – pozostałe oznaczenia jak wyżej.

n

kc

m

x

1



Izoterma adsorpcji Freundlicha

Wykres izotermy Freundlicha przypomina w ogólnym

przebiegu wykres izotermy Langumira, różni się od niej

jednakże brakiem prostej proporcjonalności między

ilością zaadsorbowanej substancji a stężeniem w

zakresie małych stężeń.

Wykres izotermy Freundlicha przypomina w ogólnym przebiegu

wykres izotermy Langumira, różni się od niej jednakże brakiem
prostej proporcjonalności między ilością zaadsorbowanej
substancji a stężeniem w zakresie małych stężeń.

e

dc

da

n 1





Izoterma BET

W przypadku adsorpcji fizycznej dochodzi do tworzenia się warstw

wieloczasteczkowych. Dzieje się tak dlatego, że ten sam rodzaj sił,

które odpowiedzialne są za adsorpcję fizyczna pierwszej warstwy

adsorbatu, działa też pomiędzy nią a dalszymi, zbliżającymi się do

powierzchni adsorbentu cząsteczkami.

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/6e/BET_izoterma_pl.png/800px-BET_izoterma_pl.png

Równanie opisujące ilość substancji zaadsorbowanej w takich warunkach

przez jednostkową masę adsorbentu, jako funkcję ciśnienia gazu

wyprowadzili S. Brunauer, H. Emmett, J. Teller (1938r). Równanie to znane

jest pod nazwą BET.

Równanie BET ma postać:





gdzie:
a, a

m

, p – mają znaczenie identyczne jak w równaniu Langumira,

p

0

–

jest prężnością pary nasyconej adsorbatu w temperaturze, w której

odbywa się adsorpcja,

C – jest pewną funkcją temperatury, określoną przez różnicę pomiędzy

ciepłem adsorpcji w pierwszej monomolekularnej warstwie i ciepłem

skraplania.

















































0

0

0

1

1

1

p

p

C

p

p

p

p

C

a

a

m

Izoterma adsorpcji typu BET

Na wykresie został zaznaczony punkt przegięcia krzywej. Położenie tego

punktu w przybliżeniu określa wartość a

m

tj. powierzchnię właściwą

adsorbentu.

Jeżeli C >> 1 i ciśnienie gazu zaadsorbowanego jest znacznie mniejsze od

prężności pary nasyconej, równanie BET przechodzi w równanie

Langmuira.

Układ dyspersyjny

Jest to układ dwóch faz, z których jedna, dzięki

znacznemu rozdrobnieniu, zyskała bardzo
dużą powierzchnię.

W każdym układzie dyspersyjnym wyróżnia się

fazę rozproszoną i fazę rozpraszającą

Podział układów dyspersyjnych

• Ze względu na rozmiar cząstek rozproszonych

Układy dyspersyjne

Roztwory

rzeczywiste

rozmiar cząstek

< 10 Å

Koloidy

10 Å < rozmiar

cząstek < 2000 Å

Mieszaniny

rozmiar cząstek >

2000 Å

Koloidy (zole)

Własności fizyczne roztworów koloidalnych:
• Efekt Tyndalla

http://www.google.pl/imgres?hl=pl&biw=1352&bih=639&tbm=isch&tbnid=oVb4fJbpDHHCsM:&imgrefurl=http://www.eszkola-wielkopolska.pl/eszkola/projekty/liceum1-
pleszew/swiatlo_i_dzwiek_wokol_nas/php/15.php&docid=cxEGbhiXPQdR7M&imgurl=http://www.eszkola-wielkopolska.pl/eszkola/projekty/liceum1-
pleszew/swiatlo_i_dzwiek_wokol_nas/images/zjawisko_Tyndalla.jpg&w=640&h=431&ei=3o-
xUev4Dqmq0QWUn4HIDg&zoom=1&ved=1t:3588,r:32,s:0,i:197&iact=rc&dur=683&page=3&tbnh=184&tbnw=273&start=32&ndsp=18&tx=201&ty=77

Koloidy (zole)

Własności fizyczne roztworów koloidalnych:
• Ruchy Browna

http://www.google.pl/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&docid=uTIEE9_GbY0OaM&tbnid=kFxttFm_jGUpMM:&ved=&url=htt
p%3A%2F%2Fedukator.pl%2FCiecze%2C3805.html&ei=LJexUe6IE-Ky0QWf2oG4Aw&bvm=bv.47534661,d.d2k&psig=AFQjCNHvqQqo7jTKIrI7jpQ3ch2-
OUkc0w&ust=1370679409225099

Koloidy (zole)

Otrzymywanie koloidów:
• Metody dyspersyjne: rozdrabnianie w młynach

koloidalnych, za pomocą ultradźwięków,
rozpylanie katodowe, peptyzacja

• Metody kondensacyjne: hydroliza soli, reakcja

wymiany, reakcja redox, reakcja kondensacji i
polimeryzacji, zmiana rozposzczalnika

Budowa cząstki koloidalnej (micelii)

http://www.mlyniec.gda.pl/~chemia/images/micela.gif

Podział koloidów

Rozpuszczalnikiem jest woda:

• Koloidy hydrofilowe: ulegają hydratacji, a

woda wchodzi także w skład większych
agregatów

• Koloidy hydrofobowe: w mniejszym stopniu

hydratacji, a woda tworzy cienką warstwę na
powierzchni koloidu

Podział koloidów

Rozpuszczalnikiem jest inna ciecz:

• Koloidy liofilowe: ulegają solwatacji, a

rozpuszczalnik

wchodzi także w skład

większych agregatów

• Koloidy liofobowe: w mniejszym stopniu

solwatacji, a rozpuszczalnik tworzy cienką
warstwę na powierzchni koloidu

Koagulacja

Koagulacja

jest to proces zmniejszenia dyspersji

układu, powodujący sedymentację
(wytrącanie się) koloidu.

Zol Żel

Punkt

izoelektryczny

– jest to punkt, w którym

micele są całkowicie rozładowane (posiadają
zerowy potencjał), a koagulacja zachodzi
najszybciej.

Metody koagulacji

• dodanie do koloidalnego roztworu elektrolitu obniżającego

potencjał elektrokinetyczny, np. soli metali wielowartościowych,

polielektrolitów, surfaktantów, mocnych kwasów lub zasad;

• wytworzenie wodorotlenków metali, na których absorbują się

koloidy i cząstki zawiesinowe, (np. wodorotlenek żelaza lub glinu);

• stworzenie warunków do wzajemnego przyciągania się i aglomeracji

cząstek dzięki neutralizacji ładunków lub wytworzeniu ładunków

powierzchniowych o różnym znaku, (np. przez zmianę pH);

• mechaniczne mieszanie lub wstrząsanie;
• stężanie lub rozcieńczanie zolu;
• ogrzewanie;
• zamrażanie;
• naświetlanie promieniami rentgenowskimi, krótkofalowymi lub

ultrafioletem;

• naświetlanie radiochemiczne;
• wyładowania elektryczne;
• ultradźwięki.