Адсорбция — поглощение вещества на поверхности¶

Адсорбция — процесс концентрирования (поглощения) вещества из газовой или жидкой среды на поверхности твёрдого тела или жидкости, называемых адсорбентом и адсорбтивом соответственно. В отличие от абсорбции, при которой вещество проникает в объём поглощающего тела, адсорбция происходит только на поверхности. Явление обратимо: при изменении условий (повышении температуры, снижении давления) адсорбтив может быть выделен обратно — этот процесс называется десорбцией.

¶Механизм и причины явления

Поверхность любого твёрдого тела неоднородна: атомы и молекулы на поверхности имеют неполную валентность, то есть их химические связи не удовлетворены полностью. Это создаёт избыточную поверхностную энергию. Для её снижения частицы газа или растворённые вещества из окружающей среды удерживаются на поверхности силами межмолекулярного взаимодействия.

Различают два типа адсорбции:

• Физическая адсорбция (физисорбция) — молекулы удерживаются силами Ван-дер-Ваальса. Энергия взаимодействия невелика (единицы — десятки кДж/моль), процесс обратим, неизбирателен, может образовывать многослойные покрытия. При низких температурах интенсивнее.
• Химическая адсорбция (хемисорбция) — между адсорбентом и адсорбтивом образуются химические связи. Энергия значительно выше (сотни кДж/моль), процесс часто необратим и избирателен, формируется обычно один слой. Интенсивнее при высоких температурах.

¶Изотермы адсорбции

Количественно зависимость между массой адсорбированного вещества, давлением (для газов) или концентрацией (для растворов) и температурой описывают адсорбционные изотермы — кривые при постоянной температуре.

Наиболее известны:

• Изотерма Ленгмюра — описывает хемисорбцию и физисорбцию на гомогенной поверхности при образовании одного слоя: q = q∞ · (K·P) / (1 + K·P), где q∞ — предельная адсорбция, K — константа равновесия, P — давление.
• Изотерма БЕТ (Бранауэра — Эмметта — Теллера) — развитие теории Ленгмюра, описывает многослойную физическую адсорбцию; используется для определения удельной поверхности порошков и катализаторов.
• Изотерма Фрейндлиха — эмпирическая зависимость q = K · P^(1/n), удобная для описания адсорбции из растворов.

¶Адсорбенты

Адсорбентами называют материалы с большой удельной поверхностью и развитой пористой структурой. К основным промышленным адсорбентам относят:

¶Применение

Адсорбция широко используется в промышленности, быту и лабораторной практике:

• Очистка сред — удаление примесей из газов и жидкостей активированным углём, цеолитами, силикагелем. Очистка сточных вод, обезвоживание природного газа.
• Противогазная защита — в фильтрующих противогазах активированный уголь адсорбирует боевые отравляющие вещества и токсичные газы.
• Медицина — активированный уголь применяется как антидот при отравлениях, адсорбируя яды в желудочно-кишечном тракте.
• Хроматография — разделение смесей основано на различной адсорбции компонентов на неподвижной фазе (адсорбенте).
• Катализ — адсорбция реагентов на поверхности катализатора — обязательный этап гетерогенного катализа.
• Вакуумная техника — сорбционные насосы создают глубокий вакуум, адсорбируя остаточные газы.

¶Отличие от смежных понятий

Часто путают адсорбцию с абсорбцией — поглощением вещества всем объёмом тела (например, растворение газа в жидкости). Адсорбция сопровождается снижением поверхностного натяжения растворов, что называется поверхностным эффектом и является экспериментальным признаком адсорбции из растворов. Термин сорбция объединяет оба процесса.

¶Адсорбция в природе

Явление играет важную роль в почвообразовании: ионы калия, аммония, фосфора адсорбируются коллоидами почвы, что определяет плодородие. В гидрогеохимии адсорбция влияет на миграцию тяжёлых металлов и радионуклидов в подземных водах. В атмосфере адсорбция газов на поверхности аэрозольных частиц участвует в механизмах их коагуляции и вымывания.

Источники:

• Зелинский Н. Д., Крапивин В. М. «Курс общей химии»
• Фомин Н. А. «Курс коллоидной химии»
• Берк Л. «Адсорбция газов и паров»
• Кларк А. «Адсорбция и адсорбенты»
• ГОСТ Р 51042-97 «Адсорбенты. Методы определения адсорбционных свойств»