吸着と表面熱力学

表面は表面張力として過剰な自由エネルギーを蓄積し、分子は吸着によって界面に蓄積します。これは、表面被覆率と圧力または濃度との関係を示す等温線によって記述されます。

Definition

吸着とは、界面における分子の蓄積であり、表面熱力学とは、表面張力、表面自由エネルギー、および湾曲表面や吸着表面を支配する関係を通じて、界面を熱力学的に記述することです。

Scope

このトピックでは、界面の熱力学と吸着現象について扱います。具体的には、表面張力と表面自由エネルギー、湾曲界面に関するヤング・ラプラス方程式とケルビン方程式、および表面過剰量と表面張力の変化を関連付けるギブス吸着等温線です。また、単分子層吸着のラングミュアモデルや多層吸着へのBET拡張を含む吸着等温線、物理吸着と化学吸着の区別、および表面積の測定についても展開します。吸着の触媒的役割は反応速度論と関連付けられ、コロイド現象と自己組織化現象は関連トピックで扱われます。

Core questions

• 界面を生成する自由エネルギーコストとして表面張力はどのように発生するのか？
• ギブス吸着等温線は表面過剰量と表面張力をどのように関連付けるのか？
• ラングミュア等温線とBET等温線は単分子層吸着と多層吸着をどのように記述するのか？
• 物理吸着と化学吸着を区別するものは何か？

Key concepts

• 表面張力と表面自由エネルギー
• ヤング・ラプラス方程式とケルビン方程式
• ギブス吸着等温線
• ラングミュア等温線とBET等温線
• 物理吸着と化学吸着

Key theories

ラングミュア吸着等温線

表面を同等で相互作用しない固定されたサイトの配列としてモデル化すると、圧力または濃度の上昇とともに被覆率が増加し、完全な単分子層で飽和します。これは吸着の参照モデルです。

ギブス吸着等温線

界面に蓄積する溶質の量は、溶質が表面張力を低下させる程度と熱力学的に関連しており、界面活性剤が界面に強く濃縮される理由を説明します。

Clinical relevance

吸着と表面熱力学は、不均一触媒作用、多孔質材料によるガス貯蔵と分離、洗剤や界面活性剤の作用、クロマトグラフィー分離、触媒や医薬品の表面積測定、土壌や生体組織における湿潤と毛細管現象を支配します。

History

ギブスは1870年代に表面の熱力学を確立しました。ラングミュアによる1910年代の単分子層と吸着の研究（1932年のノーベル賞を受賞）と、1938年のブルナウアー・エメット・テラーの多層理論は、吸着と表面積の定量的分析を確立しました。

Key figures

• Irving Langmuir
• J. Willard Gibbs
• Stephen Brunauer

Seminal works

• langmuir1916
• adamson1997

Frequently asked questions

物理吸着と化学吸着の違いは何ですか？

物理吸着は弱いファンデルワールス引力を伴い、容易に可逆的であり、複数の層を形成する可能性があります。一方、化学吸着は表面と実際の化学結合を形成し、はるかに強く、通常は単分子層に限定され、触媒作用の中心的な役割を果たします。

表面張力はなぜ小さな液滴を球形にするのですか？

表面張力は界面面積を生成するためのエネルギーコストであるため、系は表面積を最小化することで自由エネルギーを最小化します。与えられた体積に対して球は最小の表面積を持つため、自由な液滴はその形状をとります。