Адсорбция и термодинамика поверхности

Поверхности аккумулируют избыточную свободную энергию в виде поверхностного натяжения, а молекулы накапливаются на границах раздела фаз посредством адсорбции, описываемой изотермами, которые связывают покрытие поверхности с давлением или концентрацией.

Definition

Адсорбция — это накопление молекул на границе раздела фаз, а термодинамика поверхности — это термодинамическое описание границ раздела фаз через поверхностное натяжение, поверхностную свободную энергию и соотношения, управляющие искривленными и адсорбирующими поверхностями.

Scope

Эта тема охватывает термодинамику границ раздела фаз и явление адсорбции: поверхностное натяжение и поверхностную свободную энергию, уравнения Юнга-Лапласа и Кельвина для искривленных границ раздела, а также изотерму адсорбции Гиббса, связывающую избыток на поверхности с изменениями поверхностного натяжения. В ней рассматриваются изотермы адсорбции, включая модель Ленгмюра для монослойной адсорбции и расширение БЭТ для многослойной адсорбции, различие между физической и химической адсорбцией, а также измерение площади поверхности. Каталитическая роль адсорбции связана с кинетикой, а коллоидные явления и явления самосборки рассматриваются в смежных темах.

Core questions

• Как возникает поверхностное натяжение как энергетическая стоимость образования границы раздела фаз?
• Как изотерма адсорбции Гиббса связывает избыток на поверхности с поверхностным натяжением?
• Как изотермы Ленгмюра и БЭТ описывают монослойную и многослойную адсорбцию?
• Что отличает физическую адсорбцию от химической адсорбции?

Key concepts

• Поверхностное натяжение и поверхностная свободная энергия
• Уравнения Юнга-Лапласа и Кельвина
• Изотерма адсорбции Гиббса
• Изотермы Ленгмюра и БЭТ
• Физическая адсорбция против химической адсорбции

Key theories

Изотерма адсорбции Ленгмюра

Моделирование поверхности как фиксированного массива эквивалентных, невзаимодействующих участков дает покрытие, которое увеличивается с давлением или концентрацией и насыщается при образовании полного монослоя, что является эталонной моделью для адсорбции.

Изотерма адсорбции Гиббса

Количество растворенного вещества, которое накапливается на границе раздела фаз, термодинамически связано с тем, как это вещество снижает поверхностное натяжение, объясняя, почему поверхностно-активные вещества сильно концентрируются на границах раздела фаз.

Clinical relevance

Адсорбция и термодинамика поверхности определяют гетерогенный катализ, хранение и разделение газов пористыми материалами, действие детергентов и поверхностно-активных веществ, хроматографическое разделение, измерение площади поверхности катализаторов и фармацевтических препаратов, а также смачивание и капиллярность в почвах и биологических тканях.

History

Гиббс заложил основы термодинамики поверхностей в 1870-х годах; исследования Ленгмюра монослоев и адсорбции в 1910-х годах, отмеченные Нобелевской премией 1932 года, и теория многослойной адсорбции Брунауэра-Эмметта-Теллера 1938 года заложили основы количественного анализа адсорбции и площади поверхности.

Key figures

• Irving Langmuir
• J. Willard Gibbs
• Stephen Brunauer

Seminal works

• langmuir1916
• adamson1997

Frequently asked questions

В чем разница между физической и химической адсорбцией?

Физическая адсорбция включает слабое ван-дер-ваальсово притяжение, легко обратима и может образовывать множественные слои, тогда как химическая адсорбция образует фактические химические связи с поверхностью, гораздо сильнее, обычно ограничена монослоем и играет центральную роль в катализе.

Почему поверхностное натяжение делает маленькие капли сферическими?

Поверхностное натяжение — это энергетическая стоимость площади поверхности раздела фаз, поэтому система минимизирует свою свободную энергию, минимизируя площадь поверхности; для заданного объема сфера имеет наименьшую площадь поверхности, поэтому свободные капли принимают эту форму.