Адсорбция на границе твердое тело — газ

При адсорбции газов на твердых телах описание взаимодействия молекул адсорбата и адсорбента представляет собой весьма сложную задачу, поскольку характер их взаимодействия, определяющий характер адсорбции, может быть различным. Поэтому обычно задачу упрощают, рассматривая два крайних случая, когда адсорбция вызывается физическими или химическими силами — соответственно физическую и химическую адсорбцию.

Физическая адсорбция. Физическая адсорбция вызвана Ван-дерВаальсовыми силами взаимодействия между молекулами адсорбата и адсорбента. Эти силы невелики и поэтому теплота физической адсорбции составляет -10—30 кДж/моль. Физическая адсорбция неспецифична и ряд по адсорбируемости сохраняется на любом адсорбенте. Он связан с силами взаимодействия. Чем выше взаимодействие молекул адсорбата друг с другом, тем выше их нормальная точка кипения Т_птк и тем больше величина Г_{ (табл. 17.1).

Химическая адсорбция (.хемосорбция) обязана химической связи, возникающей между адсорбатом и адсорбентом. При этом образуются поверхностные соединения. Теплота хемосорбции составляет ~100—400 кДж/моль, а сам процесс хемосорбции носит активационный характер. Так как хемосорбция является химическим процессом, требующим энергии активации порядка 40—120 кДж/моль, повышение температуры способствует ее протеканию. Примером химической адсорбции является адсорбция кислорода на вольфраме или серебре при высоких температурах. Энергетические характеристики этих двух видов адсорбции и обусловливают их основные отличия (табл. 17.2). Хемосорбция обычно необратима; химическая адсорбция, в отличие от физической, является локализованной, т.e. молекулы адсорбата не могут перемещаться по поверхности адсорбента.

Таблица 17.1

Объемы газов, адсорбируемых на 1 г активированного угля при 15°С

Таблица 17.2

Основные различия между физической и химической адсорбцией

Следует подчеркнуть, что явления физической и химической адсорбции четко различаются в очень редких случаях. Обычно осуществляются промежуточные варианты, когда основная масса адсорбированного вещества связывается сравнительно слабо и лишь небольшая часть — прочно. Например, кислород на металлах или водород на никеле при низких температурах адсорбируются по законам физической адсорбции, но при повышении температуры начинает протекать химическая адсорбция. При повышении температуры увеличение химической адсорбции с некоторой температуры начинает перекрывать падение физической адсорбции, поэтому температурная зависимость адсорбции в этом случае имеет четко выраженный минимум (рис. 17.4).

Рис. 17.4. Зависимость объема адсорбированного никелем водорода.

от температуры

При постоянной температуре количество адсорбированного вещества зависит только от равновесных давления либо концентрации адсорбата; уравнение, связывающее эти величины, называется изотермой адсорбции.