Теория полимолекулярной адсорбции Поляни

ПОРИСТЫЕ АДСОРБЕНТЫ. ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ ТЕОРИЯ ПОЛЯНИ

Методические указания к выполнению расчетной лабораторной работы по дисциплинам «Поверхностные явления и дисперсные системы» и «Коллоидная химия» для студентов ИПР

Составитель Е.В. Михеева

Издательство

Томского политехнического университета

УДК 541.18(076.5)

ББК 24.6Я73

М695

М695 Пористые адсорбенты. Потенциальная теория Поляни: методические указанияк выполнению расчетной лабораторной работы по дисциплинам «Поверхностные явления и дисперсные системы и «Коллоидная химия»» для студентов ИПР/ сост. Е.В. Михеева; Томский политехнический университет. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2011. – 28 с.

УДК 541.18(076.5)

ББК 24.6Я73

Методические указания рассмотрены и рекомендованы
к изданию методическим семинаром кафедры
физической и аналитической химии ИПР

«13» сентября 2010 г.

Зав. кафедрой ФАХ

доктор хим. наук,

профессор ____________ А.А. Бакибаев

Рецензент

Кандидат химических наук

Доцент кафедры ФАХ ИПР ТПУ

Н.П. Пикула

Пористые адсорбенты.

Потенциальная теория Поляни

План коллоквиума

по теме «Адсорбция на границе твердое тело - газ»

1. Адсорбция. Количественные способы выражения величины адсорбции. Физическая и химическая адсорбция. Экспериментальные зависимости адсорбции.

2. Теория мономолекулярной адсорбции Лэнгмюра. Уравнение мономолекулярной адсорбции Лэнгмюра. Расчет констант в уравнении Лэнгмюра.

3. Эмпирическое уравнение адсорбции Фрейндлиха. Расчет констант в уравнении Фрейндлиха.

4. Теория полимолекулярной адсорбции Поляни. Основные положения. Адсорбционный потенциал. Особенности характеристической кривой.

5. Теория адсорбции БЭТ. Основные положения. Уравнение полимолекулярной адсорбции БЭТ. Расчет констант в уравнении БЭТ. Применение уравнения теории БЭТ к описанию изотерм адсорбции различного вида. Ограничения теории БЭТ.

6. Адсорбция на пористых сорбентах. Классификация пористых сорбентов. Капиллярная конденсация на пористых сорбентах.

Список литературы

1. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы. – М.: Химия, 1989. – С.129-174.

2. Фридрихсберг Д.А. Курс коллоидной химии. – СПб: Химия, 1995. – С.150-178.

3. Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии. – М.:Химия, 1976. – С.8-113.

4. Зимон А.Д., Лещенко Н.Ф. Коллоидная химия. – М.: Химия, 1995. – С. 62-64, 68-77, 98-102.

5. Шершавина А.А. Индивидуальные задания по коллоидной химии: учебн.пособие. – Минск: Новое знание, 2008. – С.112 – 126.

Теоретическая часть

Адсорбция – процесс самопроизвольного перераспределения компонентов системы между поверхностным слоем и объемной фазой, то есть поглощение одного вещества поверхностью другого.

С термодинамической точки зрения адсорбция – самопроизвольный процесс выравнивания химических потенциалов компонента в объеме системы и поверхностном слое. Этот процесс происходит вследствие стремления к минимуму поверхностной энергии или энергии Гиббса системы.

Количественные закономерности адсорбции делятся на две группы: закономерности, описывающие адсорбцию на однородных поверхностях, и закономерности для пористых адсорбентов. Это объясняется различием в энергетическом состоянии однородной и пористой поверхностей, и, соответственно, различием в количественном описании протекающих на них процессов адсорбции.

Адсорбция на пористых сорбентах, удельная поверхность которых достигает сотен тысяч квадратных метров, имеет более сложный характер по сравнению с адсорбцией на непористых телах той же химической природы. Как правило, она сопровождается капиллярной конденсацией – конденсацией пара в порах при давлениях меньших, тем давление насыщенного пара адсорбата над плоской поверхностью. Рассмотрим адсорбцию на пористых сорбентах.

Пористые сорбенты

Пористые адсорбенты – твердые тела, внутри которых имеются поры, обуславливающие наличие внутренней межфазной поверхности. Поры могут быть заполнены газом или жидкостью. Тип таких систем Г/Т или Ж/Т. В отличие от адсорбции на телах с ровной поверхностью, адсорбция на пористых телах значительно выше и зависит от строения и размера пор. Увеличение пористости сорбента приводит не только к увеличению удельной поверхности S_уд, но и обеспечивает конденсацию пара при давлениях меньших, чем для ровной поверхности. Кроме того, в микропористых телах наблюдается увеличение энергии адсорбции и резкое возрастание величины адсорбции. По этой причине пористые сорбенты широко применяются в промышленности: в гетерогенном катализе, при улавливании выбросов предприятий (экология) и т.д.

Пористые тела классифицируются в соответствии с размерами пор (классификация М.М. Дубинина):

1. Макропористые тела (). Для количественного описания адсорбции в порах такого размера используют уравнения Лэнгмюра.

2. Мезопористые (переходнопористые) тела ( ). В порах таких адсорбентов идет полимолекулярная адсорбция, которая заканчивается капиллярной конденсацией при образовании вогнутого мениска. Процесс адсорбции описывается теориями Поляни и БЭТ.

3. Микропористые тела () – молекулярные сита (цеолиты – алюмосиликаты, обладающие строго регулярной кристаллической структурой, активированные угли). Процесс адсорбции описывается Теорией объемного заполнения микропор (ТОЗМ) Дубинина.

Для количественного описания процесса адсорбции на мезо- и переходнопористых сорбентах используют теорию полимолекулярной адсорбции Поляни, которую называют потенциальной теорией объемного заполнения микропор

Теория полимолекулярной адсорбции Поляни

Адсорбцию паров на пористых адсорбентах описывают изотермы, правая часть которых круто поднимается вверх (S –образные), что свидетельствует о взаимодействии на поверхности адсорбированных

Рис.1. Изотерма адсорбции Поляни.

слоев молекул с адсорбатом, когда адсорбированные молекулы наслаиваются друг на друга. Для объяснения этого явления и описания S –образных изотерм адсорбции М.Поляни (и А.Эйкен) в 1915 году предложили теорию полимолекулярной адсорбции, основанную на представлении об адсорбционном потенциале.