Презентация на тему "Адсорбция"

Содержание

• 
  Слайд 1
  

  ПЯ и ДС(Лекция III, часть 3)Адсорбция на границе твердое тело – газ. Природа адсорбционных сил. Физическая адсорбция и хемосорбция. Интегральная и дифференциальная теплота адсорбции. Теория мономолекулярной адсорбции Лэнгмюра. .М.Ю. Плетнёв, доктор хим. наукКафедра коллоидной химии

• 
  Слайд 2

  Адсорбция: основные определения

  Твердое тело, создающее силовое поле, называют адсорбентом(субстратом или субфазой). Вещество, молекулы которого способны адсорбироваться, – адсорбтивом, а адсорбированное вещество – адсорбатом. Процесс, обратный А, называют десорбцией. Природа сил, участвующих в А, может быть очень разной. Простейшим и наиболее универсальным видом взаимодействия является неспецифическое дисперсионное (ван-дер-ваальсово) притяжение, обусловленное флуктуациями электронной плотности во взаимодействующих системах. Оно повышается с ростом поляризуемости контактирующих фаз-партнеров. Если на поверхности адсорбента и/или в его молкулах имеются ионы, диполи , вакантные орбитали и т.д., то появляется большое разнообразие неспецифических и специфических взаимодействий. Хемосорбция протекает как А, но с образованием новой химической связи между адсорбентом и адсорбатом. Оба процесса всегда экзотермичны. Кафедра коллоидной химии

• 
  Слайд 3

  Интегральнаяи дифференциальная теплоты адсорбции

  Различают интегральнуюи дифференциальную теплоты адсорбции. Интегральная теплота Q равна убыли энтальпии при постоянной внутренней энергии: Q = −ΔН. При изменении адсорбции от a1 до а2 (в частном случае может быть а1= 0). Эту величину обычно относят к массе адсорбента и выражают в Дж/кг. Дифференциальная теплота q (Дж/моль) равна убыли энтальпии dH при изменении а на da. Ее выражают отношением q = −(dH/da). Очевидно, что:

• 
  Слайд 4

  Хемосорбция vs. адсорбция

  Химической адсорбцией (хемосорбцией) называют адсорбцию молекул на поверхности, сопровождающуюся образованием химической связи. Хемосорбцию от физической адсорбции отличает, прежде всго, природа сил, приводящих к уменьшению свободы, подвижности адсорбтива, и порядок теплот: QC = 80–400 кДж/моль – для первой, QA = 1–20 кДж/моль – для второй. Однако четкой грани по теплоте между Х и ФА не существует: известны прочные комплексы (например, с участием органических лигандов, рецепторов ферментов и др. биологических молекул) с низкой теплотой образования. При Х (как любой химической реакции) образуются новые связи, причем специфичность и избирательность их образования очень высоки. Как правило, газы легко хемосорбируются на поверхностях переходных и родственных им металлов. Хотя в целом проблема специфичности того или иного адсорбента к адсорбату пока до конца не решена. Премер тому – каталитическое гидрирование олефинов: металлы, которые не хемосорбируют ни олефины, ни водород каталитическим действием не обладают. 4

• 
  Слайд 5

  Потенциальные кривые для физической и химической адсорбции

  Кривая потенциальной энергии для процесса адсорбции представляет изменение энергии системы (E) в зависимости от расстояния (d) адсорбата от поверхности. В рамках такой одномерой (1D) модели, получают зависимость энергии адсорбции от расстояния адсорбата от поверхности субстрата: E= f (d). Поверхность Физ. адсорбция Хемосорбция Молекула Кафедра коллоидной химии QС Qc = −ΔЕ

• 
  Слайд 6

  Хемосорбция (резюме)

  Химической адсорбцией (хемосорбцией) называют самопроизвольное, сопровождающееся выравниванием хим. потенциала молекул на поверхности, сопровождающуюся образованием химической связи. Хемосорбцию от физической адсорбции отличает, прежде всго, природа сил, приводящих к уменьшению свободы, подвижности адсорбтива, и порядок теплот: 80–400 кДж/моль – для первой, 0–20 кДж/моль – для второй. Однако четкой грани по теплоте между Х и ФА не существует: известны прочные комплексы (например, с участием органических лигандов, рецепторов ферментов и др. биологических молекул) с низкой теплотой образования. Время жизни молекул адсорбтива на поверхности может составлять годы, а десорбция часто протекает при высоких температурах, причем состав десорбирующегося вещества уже иной. При Х (как любой химической реакции) образуются новые связи, причем специфичность и избирательность их образования очень высоки. Примеры хемосорбции: коррозионные процессы, все случаи гетерогенного катализа, образование Fe(CO)5… Кафедра коллоидной химии

• 
  Слайд 7

  Потенциал Леннард-Джонса

  Потенциал Леннард-Джонса V предложен в качестве математического выражения, которое иллюстрирует энергию взаимодействия между двумя несвязывающими атомами или молекулами в зависимости от расстояния. Уравнение Леннард-Джонса учитывает разницу между силами притяжения (диполь-дипольного взаимодействия, диполь-индуцированный дипольный и Лондона-Ван-дер-Ваальса) и силами отталкивания: ε – глубина потенц. ямы (чем она глубже, тем сильнее взаимодействие между атомами); σ – расстояние r, при котором потенциал равен нулю.

• 
  Слайд 8
  

  «Из каких же элементов слагается счастье? – вопрошал философ, сверкая глазами. – Только из двух, господа, только из двух: спокойная душа и здоровое тело. О том, как сохранить здоровье, вам расскажет любой хороший врач. А как достичь душевного спокойствия, скажу я вам: не совершайте, дети мои, преступлений, не будет у вас ни раскаяния, ни сожаления, а только они делают людей несчастными». М.А. Булгаков, Жизнь господина де Мольера (1933)

• 
  Слайд 9

  Теория мономолекулярной адсорбции Лэнгмюра (1915)

  Основные предпосылки теории: Адсорбция является локализованной и вызывается силами, близкими к химическим. Однако следует отметить, что Лэнгмюр считал химическими все силы, обуславливающие когезионную прочность вещества и проявляющиеся, например, в явлениях испарения, кристаллизации, поверхностного натяжения и т.д. Адсорбция молекул адсорбтива происходит на активных центрах, всегда существующих на поверхности адсорбента.Такими центрами могут быть пики и впадины, имеющиеся даже на самой гладкой поверхности. В результате ненасыщенности поля молекулярных сил у таких дефектов поверхности, они обретают способность удерживать налетающие на них молекулы газа (адсорбата). Концентрация активных центров на поверхности адсорбента обычно не велика. Каждый активный центр, связывая молекулу адсорбтива, становится неактивным. В результате на поверхности может образовываться только один (мономолекулярный) слой. Адсорбированные молекулы могут удерживаться лишь определенный промежуток времени и, набрав кинетическую энергию, отрываются, переходят в газовую фазу, а их место занимают новые молекулы. Среднее время «жизни» молекулы на поверхности зависит от прочности связи и температуры. Взаимодействие между соседними молекулами адсорбтива в адсорбционном слое отсутствует. Иначе говоря, время их пребывания на активных центрах не зависит от того, заняты ли соседние центры или нет. Как впоследствии выяснилось, теория Лэнгмюра достаточно универсальна и пригодна для описания адсорбции не только газов, но и растворенных веществ.

• 
  Слайд 10

  Уравнение Лэнгмюра и его анализ

  По Лэнгмюру, локализованная адсорбция описывается как квазихимическая бимолекулярная реакция между молекулой газа а и активным центром адсорбента А, в результате которой образуется адсорбционный комплекс аА, т. е. молекула адсорбтива, связанная активным центром адсорбента: а + А ↔аА. где Θ = Г/Гmax; kс = kа/kд– константаадсорбционного равновесия при данной т-ре; С – концентрация адсорбата в растворе; P – парциальноедавление адсорбата. В области малых равновесных концентраций C → 0(давлениеP → 0, т.е. kсР << 1) уравнение Лэнгмюра принимает вид , схожий с уравнением Генри: Г = ĸС (Г = ĸР). При больших степенях заполнения это уравнение перестает выполняться. При высоких концентрациях/давлениях kсР>> 1все акт. центры заняты иГ ≈ Гmax. Для инженерных расчетов нередко используют эмпирическое уравнение Фрейндлиха: для адсорбции из газовой фазы А = lg A = lg k + 1/n lg P Кафедра коллоидной химии

• 
  Слайд 11

  Основные типы изотерм адсорбции

  Основные 5 типов изотерм адсорбции по классификации Брунауэра, Демминг, Демминга и Теллера (БДДТ). I. Изотерма описывается теорией монослоя и уравнением Лэнгмюра при асимптотическом приближенииколичества адсорбированного идеального газа к емкости монослоя. II.Довольно распространенныйS-образный тип изотермы (Лэнгмюр + последующее формирование полислоя на поверхности с высоким адсорбционным потенциалом). III. Относительно редко встречающийся тип изотермы неспецифической адсорбции (обычно из газовой фазы на твердом сорбенте), завершающийся образованием полислоя. Имеет место в случае тел с низким запасом поверхностной энергии, сопоставимой с теплотой конденсации адсорбтива. IV,V. Схожи с типами II и III и характерны для пористых сорбентов, в которых адсорбция ограничена объемом мезопор (2–50 нм). Предельная адсорбция обычно достигается при давлениях, существенно меньших давления насыщения Р/Рs<< 1. Такие изотермы часто обнаруживают петлю гистерезиса, что указывает на наличие капиллярной конденсации. VI. Случай полислойной адсорбции (разновидность II). Кафедра коллоидной химии Г Р/Рs

• 
  Слайд 12

  Современные адсорбенты

  Природный цеолит Силикат магния Уголь Бентонит Оксид алюминия Измельченный пластик Ад + Абсорбция + Хемосорбция (синтетические ионообменные смолы)