Процесс выборочного поглощения вещества из некоей (жидкой или газообразной) среды поверхностным слоем твердого тела (адсорбента) или жидкости.
Примером процесса адсорбции является процесс поглощения газов активированным углем. Это явление надо отличать от абсорбции – выборочного поглощения вещества всем объемом твердого тела или жидкости. Примером абсорбции является поглощение жидкости с поверхности твердого тела губкой или тряпкой.
Обратный к адсорбции процесс называется десорбцией.
Адсорбция осуществляется также на границе твердое тело – газ. Твердое тело, на поверхности или в объеме пор которого осуществляется адсорбция, называется адсорбентом. Вещество, адсорбирующееся из газовой фазы, является адсорбтивом.
Физическая адсорбция вызывается действием молекулярных сил: неспецифических (дисперсионные силы) и специфических (ориентационные, индукционные силы и водородные связи).
С термодинамической точки зрения для адсорбции характерно уменьшение свободной поверхностной энергии системы. Адсорбция – это самовольный обратимый процесс. Переход вещества из газовой или жидкой фазы в адсорбированное состояние приводит к потерям молекул адсорбтива по крайней мере одной ступени свободы. Это, в свою очередь, приведет к уменьшению энтропии системы.
Адсорбция поверхностно-активных веществ
Существует особый класс веществ, называемых поверхностно-активными (ПАВ), которые интенсивно адсорбируются на поверхностях раздела фаз при соответствующем уменьшении поверхностного натяжения .
В более узком смысле речь идет о значительном уменьшении воды как растворителя. При этом наблюдается накопление ПАВ в поверхностном слое по сравнению с исходным объемом при одновременной ориентации молекул ПАВ.
Этот результат является следствием асимметричного дифильного характера строения молекул ПАВ. Они состоят из двух частей разной активности. Каждая молекула имеет полярную гидрофильную «голову» и гидрофобный неполярный «хвост». «Голова» имеет одну или несколько полярных групп (например, гидроксильную – ОН, карбоксильную – СООН, аминогруппу – NH2 и др.). «Хвост» имеет один или несколько радикалов со слабым молекулярно-силовым полем:
Полярная группа изображена в виде кружочка, неполярный радикал - в виде черточки. К ПАВ относятся различные компоненты нефти, мыло, некоторые жирные кислоты, спирты, эфиры, аминокислоты, детергенты (моющие средства) при растворении их в воде.
Уменьшение в растворах ПАВ обусловлено повышением их концентрации в поверхностном слое, то есть адсорбции. По мере адсорбции является величина адсорбции Г (моль/м2), которая выражает изменения содержания компонентов в поверхностном слое по сравнению с объемной фазой, отнесенная к единице площади поверхности.
Первыми фундаментальными трудами по теории адсорбции были термодинамическая теория Гиббса и исследования Ленгмюра.
Адсорбция смазок
На поверхностях твердых тел также образуются адсорбционные пленки, которые играют огромную роль в явлениях, связанных с трением, прочностью материалов и т.д. Смазочная способность масел связана с наличием ориентированных адсорбционных слоев масла, как и ПАВ, образующихся на поверхности твердого тела.
Исследованиями Б. В. Дерягина установлено, что толщина граничных слоев практически превышает бимолекулярный слой и составляет десятки монослоев. Они имеют аномально высокую вязкость и не выдавливаются из зазора трущихся поверхностей.
Согласно этому, механизм смазочного действия можно представить следующим образом: скольжения осуществляется между концами неполярных гибких цепей молекулярных слоев, которые ориентированы на трущихся поверхностях:
При этом уменьшаются макро- и микрошероховатости на соприкасающихся поверхностях твердых тел. Взаимное трение между ориентированными слоями меньше, чем при непосредственном контакте несмазанных поверхностей.
Эффект Ребиндера
Адсорбция ПАВ на поверхности твердых тел ведет к адсорбционному снижению прочности твердых тел – «эффект Ребиндера».
Это явление широко применяется для интенсификации важных технологических процессов, связанных с разрушением твердых тел. Это бурение горных пород, тонкое измельчение твердых тел в обычных условиях и при вибрации и действия ультразвука и тому подобное.
Действие ПАВ вызывает также качественные изменения механических свойств материала, например адсорбционное снижение предела прочности может сделать значительно меньшим предел текучести. Это ведет, в свою очередь, к хрупкому разрыву тел, пластических в обычных условиях. Например, стальные оси иногда ломаются, когда плавится баббит в подшипниках.
Молекулярно-физическое трактованиие механизма эффекта Ребиндера таково: акт адсорбции ПАВ на поверхности твердых тел приводит к уменьшению поверхностной энергии тела при одновременном разрыве связей между элементами структуры тела.
Адсорбция ПАВ приводит к проникновению их молекул в микротрещины поверхности тела, к появлению дополнительного «расклинивающего» давления, развития новых микротрещин и даже к разрушению тела действием небольших нагрузок.
Заказать статью по физике у экспертов биржи Студворк!
Комментарии