Понятие о диффузии и адсорбции

Первой стадией гетерогенного химического процесса (в наших обозначениях стадия D) всегда является диффузия.

Диффузия — самопроизвольный процесс перемещения частиц данного вещества из области более высокой концентрации в область более низкой концентрации.

Процесс диффузии является неизбежным следствием действия второго закона термодинамики, поскольку понижение концентрации приводит к росту энтропии.

В 1855 г. немецкий физик и физиолог Адольф Евгений Фик (1829—1901) открыл закон, связывающий скорость стационарной диффузии с концентрацией вещества, который известен как первый закон Фика: скорость диффузии через перпендикулярную к градиенту концентрации поверхность пропорциональна ее площади и градиенту концентрации диффундирующего вещества:

где r,_llllM) — скорость диффузии [моль/с]; S — площадь поверхность [м²]; I) — коэффициент диффузии [м²-с ']; С — концентрация [моль/л]; X — направление быстрейшего изменения концентрации [м]; 10^! — коэффициет перевода м³ в литры.

Градиент (grad) — это производная от какой-либо физической величины, но направлению ее быстрейшего изменения. В данном случае градиент концентрации dX — отрицательная величина. Коэффициент пропорциональности называется коэффициентом диффузии D. Его зависимость от температуры подчиняется уравнению, аналогичному уравнению Аррениуса, причем энергия активации диффузии ?_д, как правило, меньше энергии активации химической реакции Е_Л. Размерность коэффициента диффузии [м²/с].

Второй стадией гетерогенного процесса (в наших обозначениях стадия 5) является процесс сорбции (поглощения). Если поглощение относится к единице объема поглощающей фазы, то процесс называется абсорбцией, а если к единице поверхности, то адсорбцией.

Адсорбция — явление концентрирования вещества на поверхности раздела фаз в системах «газ — твердое» и «жидкость — твердое».

Адсорбирующееся вещество называется адсорбатом, а твердая фаза, на поверхности которой происходит адсорбция, — адсорбентом. Процесс удаления вещества с поверхности раздела, обратный адсорбции, называется десорбцией.

С позиций химической термодинамики поверхность раздела фаз обладает избыточной энергией Гиббса. Уменьшение величины энергии Гиббса является источником сил химического взаимодействия и сил Ван-дер-Ваальса. В том случае, когда адсорбат химически взаимодействует с адсорбентом, говорят о хемосорбции, а при взаимодействии с помощью сил Ван-дерВаальса — о физической адсорбции.

В случае физической адсорбции равновесие в системе «адсорбат — адсорбент» характеризуется уравнениями изотерм адсорбции. Наиболее простое из них, основанное на концепции идеального газа, предложил Ирвинг Ленгмюр (1881 — 1957), и поэтому оно носит название «уравнение изотермы Ленгмюра»:

где (c) — доля поверхности, занятая адсорбатом; Р_А — парциальное давление адсорбата над адсорбентом; Ь_А — адсорбционный коэффициент, характеризующий соотношение скорости г_сор6 процесса сорбции и скорости г_десор6 процесса десорбции: