Природа адсорбційних сил

Дата добавления: 2014-10-03 | Просмотров: 1564

Рушійною силою у компонентів між об’ємом і поверхневим шаром є вирівнювання їх хімічних потенціалів в об’ємі та у поверхневому шарі.

Розрізняють фізичну, або ван-дер-ваальсову, адсорбцію та хімічну, або хемосорбцію. Перша - оборотна, друга - необоротна. При хімічній адсорбції молекули зв’язуються з адсорбентом міцними хімічними зв’язками, внаслідок чого адсорбовані молекули втрачають рухливість. Хемосорбція з ростом температури зростає, а фізична адсорбція, навпаки, зменшується. Теплота хімічної адсорбції складає 40 – 400 кДж/моль, а фізичної адсорбції 8 – 40 кДж/моль.

При підвищенні температури фізична адсорбція може переходити в хемосорбцію.

При фізичної адсорбціїдіють сили притягання (сили Ван-Дер-Ваальса і водневі зв’язки ) та сили відштовхування.

Сили Ван-Дер-Ваальса поділяються на:

1. Сили Лондона або дисперсійні сили, проявляються між будь-якими молекулами і виникають внаслідок того, що миттєві флуктуації електронної густини в одній молекулі індукують зміну електронної густини в сусідній, в результаті чого відбувається взаємодія між молекулами.

2. Сили Дебая зумовлені взаємодією дипольного моменту однієї з молекул з індукованим нею дипольним моментом іншої молекули.

3. Сили Кеєзомазумовлені безпосередньою взаємодією між постійними дипольними моментами молекул.

Для всіх трьох сил залежність енергії притягання від відстані описується однаковим за формою рівнянням.

( 4.2)

С – коефіцієнт, який залежить від природи сил;

r – відстань між атомами.

На дуже близьких відстанях суттєвим стає вплив сил відштовхування

( 4.3)

m- ціле число;

b – стала сил відштовхування.

В більшості випадків сумарну енергію взаємодії між двома атомами задовільно описує рівняння Леннарда - Джонса, в якому m=12.

( 4.4)

При адсорбції відбувається взаємодія між атомом (молекулою) адсорбату з поверхнею адсорбенту. Дія дисперсійних сил є адитивною, тобто атом адсорбату взаємодіє зі всією поверхнею адсорбенту. Умовно виділимо в об’ємі адсорбенту сферичний сегмент радіуса r і товщиною dr, відстань від атома адсорбату до поверхні адсорбенту x (рис.15).

Рис. 15. Схема взаємодії атома з поверхнею.

Розрахуємо енергію притягання атома адсорбенту атомами сферичного сегменту поверхні.

( 4.5)

n – кількість атомів у сферичному сегменті.

Величину dV можна виразити через поверхню сферичного сегменту:

S = 2prh = 2pr(r – x) ( 4.6)

dV = Sdr = 2pr(r – x)dr ( 4.7)

( 4.8)

Енергію притягання атома до сферичного сегмента поверхні дорівнює:

( 4.9)

Тобто енергія притягання при взаємодії атома з поверхнею зменшується з відстанню пропорційно третій степені , тоді як при взаємодії двох атомів – пропорційно шостій степені.

Загальна енергія взаємодії при адсорбції дорівнює:

( 4.10)

Енергія притягання прямо пропорційна кількості атомів адсорбату і адсорбенту, що приймають участь в акті адсорбції, тому:

1. Енергія притягання в порах і тріщинах є більшою по відношенню до рівної поверхні.

2. Чим з більшої кількості атомів складається молекула адсорбату, тим сильніше вона притягається до поверхні адсорбату.

На рис.16 проілюстрована залежність потенціальної енергії взаємодії двох атомів (лінія 1), та атома з поверхнею (лінія 2).

Рис. 16. Енергія взаємодії двох атомів (1) та атома з поверхнею (2).