Материал к экзамену по химии. Основные понятия термодинамики

• Название: Основные понятия термодинамики
• Дата: 31.01.2020
• Размер: 1.97 Mb.
• Имя файла: Материал к экзамену по химии.docx
• Тип: Документы; #106585
• страница: 18 из 31

Адсорбция

Адсорбция – процесс сорбции, сопровождающийся концентрированием поглощаемого вещества на поверхности сорбента.

или

Адсорбция – самопроизвольное изменение концентрации растворённого вещества на границе раздела фаз.

Абсорбция – поглощаемые вещества (абсорбаты) в результате диффузии распределяются по всему объёму вещества-поглотителя (абсорбента). Частный случай адсорбции.

В зависимости от природы сил, действующих между адсорбентом и адсорбатом различают физическую и химическую адсорбцию.

 Если взаимодействие между адсорбатом и адсорбентом ограничивается межмолекулярным взаимодействием и является проявлением физических сил (индукционное, электростатическое взаимодействие; ван-дер-ваальсовы силы), то наблюдается физическая адсорбция. Она протекает на активных центрах, находящихся на впадинах рельефа поверхности (а) и носит обратимый характер. При повышении температуры она уменьшается. Если же в процессе взаимодействия проявляются химические силы (перераспределение электронной плотности, ионно-молекулярное взаимодействие), то наблюдается химическая адсорбция (хемосорбция).Она происходит на выступах микрорельефа поверхности (б). Хемосорбция носит специфический и необратимый характер. С повышением температуры химическая адсорбция увеличивается. Энергия связи при хемосорбции порядка 40-400 кДж/моль.

Адсорбция на границе жидкость-газ связана со свойствами растворённого вещества – уменьшать или увеличивать поверхностное натяжение на границе раздела фаз. Вещества, уменьшающие поверхностное натяжение и соответственное способствующие уменьшению энергии Гиббса (ПАВ), концентрируются преимущественно у поверхности раздела фаз. Вещества, повышающие поверхностное натяжение (ПИВ), накапливаются преимущественно в объёме фазы (концентрация выше, чем в поверхностном слое). Вещества, не влияющие на поверхностное натяжение (ПНВ), распределяются и по поверхностному слою, и по объёму фазы.

Г = n/m , где n – количество адсорбата, моль; m – масса адсорбента.

Уравнение Гиббса.

Адсорбцию на границе раздела жидкость-газ непосредственно не измеряют, а вычисляют с помощью уравнения Гиббса, которое выведено на основании 2-го начала термодинамики.



где Г – количество адсорбированного вещества, моль/м² , с – молярная концентрация растворённого вещества, моль/л, R – газовая постоянная, 8,32 Дж/моль*К, – поверхностная активность

Поверхностно-активные и поверхностно-неактивные вещества.

Способность растворённых веществ изменять поверхностное натяжение растворителя называется поверхностной активностью. Мерой поверхностной активности является первая производная поверхностного натяжения по концентрации, взятая со знаком минус:

g =

1. ПАВ (поверхностно-активные вещества) уменьшают поверхностное натяжение растворителя (воды) и поэтому накапливаются в поверхностном слое (Сs>Сv), в связи с чем в системе уменьшается запас поверхностной энергии Гиббса. ПАВ должны обладать: а) поверхностным натяжением меньшим по сравнению с поверхностным натяжением растворителя, иначе накопление вещества в поверхностном слое было бы термодинамически невыгодно; б) сравнительно малой растворимостью (если бы они были хорошо растворимы, то стремились бы уйти с поверхности вглубь жидкости). g >0

2. ПИВ (поверхностно-инактивные вещества) увеличивают поверхностное натяжение растворителя (воды), поэтому накапливаются в объеме фазы (Сs<Сv), поскольку только в этом случае запас поверхностной энергии Гиббса в системе относительно уменьшается. ПИВ должны обладать следующими свойствами: а) их поверхностное натяжение должно быть больше поверхностного натяжения растворителя; иначе они будут стремиться самопроизвольно накапливаться в поверхностном слое; б) их растворимость должна быть высокой, так как лишь при этом условии они будут стремиться уйти с поверхности в объем. g<0

3. ПНВ (поверхностно-неактивные вещества) не изменяют поверхностное натяжение растворителя (воды), поэтому их концентрация в поверхностном слое такая же, как и в объеме фазы (Сs=Сv). g=0



Рис.4 . Возможные случаи распределения растворенного вещества между

поверхностным слоем и объемом жидкой фазы (воды).

Сs – концентрация растворенного вещества в поверхностном слое;

Сv – концентрация растворенного вещества в объеме фазы

Изотерма поверхностного натяжения

1 – ПИВ

2 – ПНВ

3 – ПАВ

Примеры (по отношению к воде):

ПАВ – белки, спирты, кислоты алифатического ряда, сложные эфиры и др.

ПИВ – неорганические кислоты, основания, соли, глицерин и др.

ПНВ – сахароза и др.

Чтобы вещество обладало способностью понижать поверхностное натяжение, необходимо, чтобы молекулы этого вещества состояли из неполярной (гидрофобной) углеводородной части («хвост») и полярной гидрофильной группы («голова»).

Изменение поверхностной активности в гомологических рядах (правило Дюкло-Траубе).

Поверхностная активность вещества одного и того же гомологического ряда возрастает приблизительно в 3 раза при увеличении углеводородной цепи на одну метиленовую группу –CH₂- (для разбавленных растворов)

Семейство изотерм поверхностного натяжения для гомологического ряда жирных кислот.