Адсорбция туралы түсінік

Гетерогендік жүйелердің бөлу беттерінде болатын құбылыстардың ішінде теориялық жəне практикалық жағынан маңызы зор көп тараған құбылыстардың бірі – сорбциялық құбылыстар. Сорбция деп бір заттың басқа бір затқа өздігінен жұтылу құбылысын айтады. Сорбциялық құбылыстар сорбтивтің қозғалатын бөлшектерінің сорбентке қаншалықты терең енгеніне жəне олардың арасындағы əрекеттесу шамасына байланыстыəртүрлі болып келеді де, соған лайықты əр түрлі аталады. Барлық сорбциялық құбылыстар бөлу беттерден басталғанымен олар екі түрлі аяқталуы мүмкін.

Сорбтивтің қозғалатын бөлшекетррі сорбенттің бүкіл көлеміне, иə тек олардың беттік қабатында ғана жиналады. Бірінші жағдайдағы сорбцияны көлемдік сорбция, иə адсорбция дейді де, ал екінші жағдайдағысын-беттік сорбция, иə адсорбция дейді.

Мысалы: Н₂-нің Рt-да жұтылуы адсорбциялық құбылыс болса, ал оның Pd-де жұтылуы – абсорбуциялық құбылыс. Адсорбция кезінде жұтатын жəне жұтылатын заттарды адсорбент жəне адсорббтив деп атайды. Кейбір оқулықтарда адсорбиывтің орнына адсорбат деп атайды, дұрысы адсорбтив. Олай дегеніміз адсорбат деп кейбір ғалымдар адсорбтивтің адсорбцияланған күйін (яғни адсорбентпен бірге қарастырған жағдайды) қарастырады. Адсорбцияның дисперстік жүйелер үшін маңызы көп. Коллоидтық жүйелердегі лиозольдердің коагуляциясы, коллоидтық тұнбалардыңпептизациясы, бөлшектердің зарядтарының өзгеруі сол сияқты т.б. құбылыстар адсорбциямен өте тығыз байланысты.газдардың көмірдегі адсорбциясын ХІХ ғасырда неміс ғалымы Шееле байқаған болатын. Ерітінділердің адсорбциясын ең бірінші

1785 жылы орыс академигі Г.Е. Ловиц көрсеткен болатын. 1814 жылы франциялық ғалым Соссюр барлық саңлаулы қатты денелердің газдарды жұта алатындығын жəне бұл құбылыс кезінде жылу шығатынын тапты. Соссюр оңай қысылатын (сұйылатын) газдардың жақсы адсорбцияланатынын байқады. ХІХ ғасырдың аяқ кезінде Гиббс адсорбцияның жалпы термодинамикалық теориясын жасады. ХХ-ғасырда адсорбция құбылыстарын Лэнгьюр, Поляни Брунауэр, Де-Бур, ал Кенңес яодағында Л.Т. Гурвич, Н.А. Шилов, М.М. Дубинин, А.В. Киселев сияқты т.б. ғалымдар түпкіілікті зерттеді. Зелинский 1915 жылы противогазды ойлап тапты.

Адсорбция адсорбент пен адсорбтивтің арасындағы байланыстың табиғатына байланысты физикалық (иə Ван -дер-Ваалстік) жəне химиялық (иə хемосробция) болып екіге бөлінеді. Бірінші жағдайда адсорбент пен адсорбтивтің арасында молекула аралық, басқаша вандерваалстік күштер болады. Физикалық адсорбция əрқашанда қайтымды. Химиялық адсорбция кезінде адсорбент пен адсорбив арасындағы байланыс химиялық болады. Хемосорбция көбінде қайтымсыз болады. Мысалы О₂-нің С-дегі, СО₂-нің СаО-дағы, NH₃-тің CuSO₄-тегі адсорбциялары.

Капиллярлық конденчсация деп аталатын сорбциялық құбылыстың тағы бір түрін айтып кеткен жөн. Бұл құбылыс кезінде адсорбент адсорбтивті (газдар мен буларды) жұтып қана қоймай, оның үстіне өздерінің капиллярларында (түтікшелерінде) конденсациялайды. Газдардың жұтылуына қарап оларды адсорбция құбылысы деуге болар еді. Ал капиллярлардың ішінде конденсацияланған сұйықтың жиналып, олардың барлық көлемде бірдей болмайтындықтан оларды адсорбциялық құбылысына жатқызуға даболады.

Адсорбция шамасын адсорбтивтің салмақтық саны жағынан көбіне Х деп белгілейді. Егер адсорбция құбылысын қарастырса бірлік беттегі (S), ал егер адсорбциялық құбылысты қарастырса бірлік массада (m) адсорбтивтің шамасын алған жөн. Бірінші

жағдай үшін адсорбция шамасы Г = ^X_S, екінші жағдай үшін адсорбция шамасы a = _m^X

деп белгіленеді.

Г шамасы белгілі бір адсорбент адсорбтив үшін 2 термодинамикалық параметрлерге тəуелді болады. Егер адсорбтив газ болса температура (Т) мен қысым (Р), егер адсорбтив сұйықтық ьолса, температура (Т) мен концентрацияға (С) байланысты болады.

Сонымен үш шама Г,Т,С немес (Р) арасында белгілі бір функциялық байланыс бар екен. Оны математикалық жолмен жалпы термодинамикалық теңдеу бойынша көрсетуге болады:

Бұл жалпы теңдеуден дербес теңдеулерді жазуға болады. Егер температура тұрақты болса, T=cоnst, онда:

Г= f(С) немесе Г= f(Р) (4)

4 теңдеуді адсорбция изотермиясының теңдеуі деп атайды. Егер қысым тұрақты болса, Р=cоnst, онда мынадай теңдеу жазуға болады: Г= f(Т) бұл теңдеуді адсорбция изобарасының теңдеуі деп атайды. Егер қоюлық (концентрация) тұрақты C=const болса, онда Г= f(Т) бұл теңдеуді адсорбция изопикасының теңдеуі дейді. Егер адсорбция мөлшері тұрақты болса (Г=const), онда қоюлық пен температура арасындағы байланыс мынадай түрде болады: С= f(Т) бұл теңдеуді адсорбция изостериясының теңдеуі деп атайды.

Бұл теңдеулердің əр түрлі жағдайлар үшін функциялардың өзара байланысын (түзу сызықты, кері, көрсеткіштік логарифмдік т.б.) көрсететін нақтылы түрлерін молекулалық кинетикалық түсініктер негізінде (мысалы, изотерма теңдеулері үшін иə тікелей термодинамикалық тəсілдермен қорытуға болады). Ал кейбіреулерін теориялық жолмен қорытуға болмайтындықтан, тəжірибеге негізделген эмпирикалық (эмпиризмдік) теңдеулермен көрсетуге болады. Мысалы Фрейндлихтің изотермасының теңдеуі.

Адсорбцияны мынадай жалпы белгілермен сипаттауға болады.

1. Термодинамикалық қайтымдылығымен, яғни адсорбциямен қарама-қарсы процесс десорбцияның динамикалық тепетеңдігімен:

Адсорбция десорбция

2. Процесстің экзотермиялығымен, яғни адсорбция кезінде жылудың бөлінуімен (бұл адсорбент пен адсорбтивтің тығыз əрекеттесуін көрсетеді).

3. Активтендіру энергиясының азды,ғымен (яғни энергетикалық тосқауылдың аласалығы), ендеше адсорбцияның жылдамдығының көптігімен (яғни dГ/dТ жəне dа/dТ-нің шамалапының өте көптігімен).

Адсорбциялық құбылыстарды өзара жанасатын фазалардың агрегаттық күйіне байланысты топтаған жөн. Осыған байланысты 5 түрлі адсорбциялық жүйелерді көрсетуге болады.

1. Г/Е – газ бен ерітінді арасындағы адсорьбция.

2. С/Е – сұйықтық пен ерітінді арасындағы адсорбция. Мұның бірінші адсорбциядан айырмашылығы ерітіндіден еріген заттың концентрациясының өзгеруі ерітінді мен оның буының арасында емес, басқа сұйықтың арасында болады.

3. С₁/С₂ - өзара ерімейтін екі сұйықтықтың арасындағы адсорбция.

4. Қ/Г – қатты дене (адсорбент) бетіндегі газдың адсорбциясы

5. К/Е – қатты дене бетіндегі ерітіндідегі еріген заттың адсорбциясы.

Осылардың алғашқы үшеуіне адсорбентіміз сұйықтық болса, 4 жəне 5 адсорбентіміз қатты дене. Сондықтан олардың өзара айырмашылықтары да бар. Мысалы үшін алғашқы үшеуінде адсорбция шамасын Г беттік керілумен σ байланыстыруға болады.