Даниловская Л. П. / Лекция 6. Адсорбация. Типы адсорбентов
.docxЛекция 6 КХ21.
Тема лекции: « Адсорбция. Термины и классификация. Типы адсорбентов и их характеристики".
Общие положения явления сорбции
Сорбция веществ ─ это любой процесс поглощения одного вещества другим. Молекулы, лежащие в поверхностном слое, способны притягивать и иногда очень прочно удерживать другие молекулы из среды, окружающей твердое тело.
Адсорбцией называется самопроизвольное изменение концентрации вещества в поверхностном слое по сравнению с его концентрацией в объеме фазы.
Адсорбент − это вещество, на поверхности которого происходит адсорбция. Вещество, молекулы которого могут адсорбироваться, называют адсорбтивом. А уже адсорбированное вещество ─ адсорбатом.
Если сорбция происходит не только поверхностью, но и объемом сорбента, то ее называют абсорбцией.
Процесс, обратный сорбции, называют десорбцией.
В зависимости от природы взаимодействий, возникающих между частицами адсорбата и адсорбернта, различают два вида адсорбции.
При физической адсорбции наблюдается выделение небольшой теплоты, соизмеримой с теплотой конденсации. Такая адсорбция протекает обратимо и при повышении температуры уменьшается, так как увеличивается скорость десорбции.
Химическая адсорбция необратима: при десорбции с поверхности уходит не адсорбтив, а его поверхностное соединение. Теплота хемосорбции высокая и сопоставима с тепловыми эффектами химических реакций. Повышение температуры приводит к увеличению хемосорбции, так как увеличивается скорость химического взаимодействия. Примером хемосорбции может служить адсорбция кислорода воздуха поверхностью металлов. В дальнейшем может происходить образование оксидов металла.
Для количественного описания резко выраженной адсорбции можно использовать величину AI, называемую абсолютной адсорбцией.
Она выражает количество адсорбата (vs) в молях на единицу площади адсорбента (S): АI = vs/S. В тех случаях, когда реальную площадь поверхности адсорбента измерить трудно, используют величину удельной адсорбции. Ауд. = vs/m, где m ─ масса адсорбента.
Типы адсорбентов и их характеристики.
Очевидно, что количество адсорбированного вещества тем больше, чем больше поверхность адсорбента. Поэтому эффективными адсорбентами служат вещества с очень сильно развитой поверхностью ─ это порошки, коллоиды и пористые вещества.
Важнейшими количественными характеристиками адсорбентов являются объемная пористость и удельная поверхность. Объемная пористость ─ это отношение суммарного объема пор адсорбента к общему объему дисперсной системы. Удельная поверхность ─ это отношение суммарной поверхности адсорбента (с учетом пор) к его массе.
Качественной характеристикой адсорбента является его структура. Существует два типа адсорбентов:
Непористые адсорбенты ─ образованы сплошными частицами, которые даже при плотнейшей их упаковке образуют пористую структуру ─ «порошковую диафрагму», порами которой являются промежутки между частицами. В зависимости от размера частиц структура адсорбента может быть макро или микропористой.
Пористые адсорбенты ─ это структуры, состоящие из зерен с внутренней пористостью. Для них характерно существование пор между зернами и пор внутри зерен.
Табл.1. Характеристики применяемых адсорбентов
Тип частиц адсорбента |
Удельная поверхность, Sуд, см2/г |
Дисперсность и структура |
Примеры |
Непористые |
104─105 |
Грубодисперсные |
Порошки оксидов, солей: ТiО2, ВаSО41)
|
Непористые
|
106 |
Тонкодисперсные |
Графитированная сажа,2) белая сажа ─ аэросил 3),
|
Пористые
|
106 ─ 107 |
Корпускулярные |
Силикагель4), алюмогель |
Губчатые
|
Активированный уголь5) Пористые стекла |
||
Кристаллические |
Цеолиты |
) К грубодисперсным системам относятся также порошковые системы - диафрагмы, таблетки, - полученные из зерен порошков путем прессования или плотной набивки их в трубки или колонки;
2) Состоит из углерода (С), имеет структуру графита;
3) Порошок SiO2, состоит из сферических частиц d~10нм;
4) Пористые зерна сухого силикагеля получают при высыхании студня поликремневой кислоты, их состав ─ SiO2;
5) Его губчатая структура ─ сетка твердой фазы из углерода – С. В таких углях каждый 2й или (3й) атом углерода, образующего сетку, контактирует с адсорбатом.
Наиболее важными и популярными адсорбентами являются: активированный уголь (С), его удельная поверхность может достигать 1000 м2 /г и силикагель (SiO2 х n H2O), который является обезвоженной кремниевой кислотой. Существует ряд марок силикагеля с различным размером и распределением пор.
Используют также много дешевых адсорбентов. Ими могут быть практически все мелкодисперсные вещества, обладающие развитой поверхностью: синтетические пористые смолы, порошки оксидов и гидроксидов алюминия и железа, природные сорбенты - глины, торф, опилки, мука и т. п.
Контрольные вопросы к лекции 6 на тему: "Адсорбция. Термины и классификация. Типы адсорбентов и их характеристики".
Дайте определение понятиям: - сорбция; - адсорбция; - десорбция; - абсорбция; - адсорбтив; - адсорбат; - адсорбент.
К каким процессам – вынужденным или самопроизвольным относятся процессы сорбции? Как изменяется свободная энергия системы в результате сорбции?
В чем различие между физической и химической адсорбцией? Как влияет температура на адсорбцию? Какая адсорбция необратима?
Приведите формулы и охарактеризуйте смысл количественных характеристик адсорбции: - абсолютной; - удельной.
Каким требованиям должны удовлетворять вещества, используемые в качестве эффективных адсорбентов?
Какие качественные и количественные характеристики имеют адсорбенты? Раскройте смысл характеристик.
Приведите примеры пористых и непористых адсорбентов, см. табл. Укажите величину (интервал) удельной поверхности непористых адсорбентов.
Какой химический состав имеют важнейшие адсорбенты: активированный уголь и силикагель – приведите их формулы. Укажите величину (интервал) удельной поверхности пористых адсорбентов.