Сорбция — поглощение веществ поверхностью твёрдого тела¶

Сорбция — процесс поглощения (адсорбции) или поглощения в объёме (абсорбции) одного или нескольких компонентов среды твёрдым телом или жидкостью, сопровождающийся снижением концентрации поглощаемого вещества в окружающей фазе. Термин образован слиянием латинских слов «sorbeō» (поглощаю) и «adsorbeō» (впитываю) и введён в научный оборот в 1909 году немецким химиком Вильгельмом Оствальдом для обозначения совокупности поверхностных и объёмных явлений поглощения.

¶Виды сорбции

Различают два основных вида сорбции:

• Адсорбция — концентрирование вещества на поверхности твёрдого тела (адсорбента) за счёт межмолекулярного взаимодействия. Адсорбция является поверхностным явлением и сопровождается уменьшением поверхностной энергии адсорбента.
• Абсорбция — поглощение вещества всем объёмом сорбента, то есть проникновение молекул вглубь структуры. Примером абсорбции служит растворение газа в жидкости или впитывание жидкости губкой.

В ряде случаев оба процесса протекают одновременно; в таком случае говорят о сорбции как об общем явлении. Сопутствующий процесс выделения ранее поглощённого вещества обратно в среду называется десорбцией.

¶Классификация по типу взаимодействия

По характеру взаимодействия между сорбатом (поглощаемым веществом) и сорбентом различают:

• Физическая адсорбция — межмолекулярные силы Ван-дер-Ваальса. Энергия процесса составляет 5–40 кДж/моль. Обратима, неизбирательна, сопровождается многомолекулярными слоями.
• Химическая адсорбция (хемосорбция) — образование химических связей между адсорбатом и поверхностью. Энергия 40–400 кДж/моль. Как правило, необратима и избирательна.
• Ионный обмен — замещение ионов в структуре сорбента на ионы из раствора. Основан на электростатическом взаимодействии.
• Координационная сорбция — образование комплексных соединений на поверхности.

¶Изотермы сорбции

Количественно процесс описывается изотермами сорбции — зависимостью массы поглощённого вещества от его концентрации (или давления) при постоянной температуре. Наиболее известны:

• Изотерма Ленгмюра — описывает монослоевую адсорбцию при хемосорбции: q = q∞ · (K·C)/(1 + K·C), где q∞ — предельная ёмкость, K — константа равновесия.
• Изотерма БЭТ (Бранауэра — Эмметта — Теллера) — расширение модели Ленгмюра на многослойную физическую адсорбцию; используется для определения удельной поверхности.
• Изотерма Фрейндлиха — эмпирическая зависимость q = K · C^(1/n), применимая для широкого диапазона концентраций.
• Изотерма Дубинина — Радушкевича — описывает объёмное заполнение микропор (теория потенциала адсорбции).

¶Сорбенты

В качестве сорбентов применяют материалы с развитой поверхностью и пористой структурой:

¶Применение

Сорбция широко используется в промышленности и лабораторной практике:

• Очистка газов и жидкостей — удаление примесей, вредных выбросов, токсичных веществ.
• Водоподготовка — умягчение, обезжелезивание, удаление органики.
• Хроматография — основа разделения сложных смесей (газожидкостная, ионообменная, адсорбционная).
• Хранение и транспортировка газов — адсорбция водорода и метана в пористых материалах.
• Медицина — энтеросорбенты (активированный уголь, полисорб) для вывода токсинов.
• Катализ — адсорбция реагентов на поверхности катализатора является стадией гетерогенного катализа.

¶Кинетика

Скорость сорбции определяется стадиями: внешней диффузией (перенос к поверхности), внутренней диффузией (в порах) и непосредственно актом сорбции. Для описания кинетики применяют модель Лагергрена (псевдопервого порядка) и модель Хо (псевдовторого порядка), а также уравнение Вебера — Морриса для определения скоростного контролирующего шага.

¶Сорбция в природе

Сорбция играет важную роль в природных процессах: сорбция ионов минералами почв определяет миграцию тяжёлых металлов, сорбция газов минералами — формирование рудных месторождений, сорбция органических веществ глинистыми минералами — диагенез осадочных пород.

¶Историческая справка

Первые количественные исследования адсорбции проведены в 1814 году немецким химиком Генрихом Кюльсоном, наблюдавшим поглощение газов углём. В 1906 году русский химик Леонид Сорокин ввёл термин «адсорбция» для обозначения поверхностного поглощения. Теоретические основы физической адсорбции заложены работами Ирвинга Ленгмюра (1918) и Стивена Бранауэра, Пола Эмметта и Теодора Теллера (1938).

¶Исторические источники

• Дубинин М. М. «Адсорбция и пористая структура»
• Adamson A. W., Gast A. P. «Physical Chemistry of Surfaces»
• Берк С., Ксенский В. А. «Адсорбция: теория, изотермы, уравнения»
• Фомин В. С. «Основы физической химии и коллоидной химии»