การดูดซับและอุณหพลศาสตร์พื้นผิว

พื้นผิวจะเก็บพลังงานอิสระส่วนเกินไว้ในรูปของแรงตึงผิว และโมเลกุลจะสะสมตัวที่รอยต่อผ่านการดูดซับ ซึ่งอธิบายได้ด้วยไอโซเทอร์มที่เชื่อมโยงการปกคลุมพื้นผิวกับความดันหรือความเข้มข้น

Definition

การดูดซับคือการสะสมตัวของโมเลกุลที่รอยต่อ และอุณหพลศาสตร์พื้นผิวคือการอธิบายทางอุณหพลศาสตร์ของรอยต่อผ่านแรงตึงผิว พลังงานอิสระของพื้นผิว และความสัมพันธ์ที่ควบคุมพื้นผิวโค้งและพื้นผิวที่มีการดูดซับ

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมอุณหพลศาสตร์ของรอยต่อและปรากฏการณ์การดูดซับ: แรงตึงผิวและพลังงานอิสระของพื้นผิว สมการ Young-Laplace และ Kelvin สำหรับรอยต่อโค้ง และไอโซเทอร์มการดูดซับของ Gibbs ที่เชื่อมโยงส่วนเกินของพื้นผิวกับการเปลี่ยนแปลงของแรงตึงผิว นอกจากนี้ยังพัฒนาไอโซเทอร์มการดูดซับ รวมถึงแบบจำลอง Langmuir สำหรับการดูดซับแบบชั้นเดียว และส่วนขยาย BET สำหรับหลายชั้น ความแตกต่างระหว่างฟิสิกส์ซอร์ปชัน (physisorption) และเคมีซอร์ปชัน (chemisorption) และการวัดพื้นที่ผิว บทบาทเร่งปฏิกิริยาของการดูดซับเชื่อมโยงกับจลนพลศาสตร์ และปรากฏการณ์คอลลอยด์และการประกอบตัวเองจะกล่าวถึงในหัวข้อที่เกี่ยวข้อง

Core questions

• แรงตึงผิวเกิดขึ้นได้อย่างไรในฐานะต้นทุนพลังงานอิสระของการสร้างรอยต่อ?
• ไอโซเทอร์มการดูดซับของ Gibbs เชื่อมโยงส่วนเกินของพื้นผิวกับแรงตึงผิวได้อย่างไร?
• ไอโซเทอร์ม Langmuir และ BET อธิบายการดูดซับแบบชั้นเดียวและหลายชั้นได้อย่างไร?
• อะไรคือความแตกต่างระหว่างฟิสิกส์ซอร์ปชัน (physisorption) กับเคมีซอร์ปชัน (chemisorption)?

Key concepts

• แรงตึงผิวและพลังงานอิสระของพื้นผิว
• สมการ Young-Laplace และ Kelvin
• ไอโซเทอร์มการดูดซับของ Gibbs
• ไอโซเทอร์ม Langmuir และ BET
• ฟิสิกส์ซอร์ปชัน (physisorption) เทียบกับเคมีซอร์ปชัน (chemisorption)

Key theories

ไอโซเทอร์มการดูดซับของ Langmuir

การจำลองพื้นผิวเป็นอาร์เรย์คงที่ของตำแหน่งที่เทียบเท่ากันและไม่ทำปฏิกิริยาต่อกัน ทำให้ได้การปกคลุมที่เพิ่มขึ้นตามความดันหรือความเข้มข้นและอิ่มตัวที่ชั้นโมโนเลเยอร์ที่สมบูรณ์ ซึ่งเป็นแบบจำลองอ้างอิงสำหรับการดูดซับ

ไอโซเทอร์มการดูดซับของ Gibbs

ปริมาณของตัวถูกละลายที่สะสมตัวที่รอยต่อมีความสัมพันธ์ทางอุณหพลศาสตร์กับวิธีที่ตัวถูกละลายลดแรงตึงผิว ซึ่งอธิบายว่าทำไมสารออกฤทธิ์ที่พื้นผิวจึงมีความเข้มข้นสูงที่รอยต่อ

Clinical relevance

การดูดซับและอุณหพลศาสตร์พื้นผิวควบคุมปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยาแบบวิวิธพันธ์ การจัดเก็บและแยกก๊าซด้วยวัสดุที่มีรูพรุน การทำงานของผงซักฟอกและสารลดแรงตึงผิว การแยกสารด้วยโครมาโตกราฟี การวัดพื้นที่ผิวของตัวเร่งปฏิกิริยาและยา และการเปียกและการซึมตามรูพรุนในดินและเนื้อเยื่อทางชีวภาพ

History

Gibbs ได้วางรากฐานของอุณหพลศาสตร์พื้นผิวในช่วงทศวรรษ 1870; การศึกษาชั้นโมโนเลเยอร์และการดูดซับของ Langmuir ในช่วงทศวรรษ 1910 ซึ่งได้รับการยอมรับด้วยรางวัลโนเบลในปี 1932 และทฤษฎีหลายชั้นของ Brunauer-Emmett-Teller ในปี 1938 ได้สร้างการวิเคราะห์เชิงปริมาณของการดูดซับและพื้นที่ผิว

Key figures

• Irving Langmuir
• J. Willard Gibbs
• Stephen Brunauer

Seminal works

• langmuir1916
• adamson1997

Frequently asked questions

อะไรคือความแตกต่างระหว่างฟิสิกส์ซอร์ปชัน (physisorption) กับเคมีซอร์ปชัน (chemisorption)?

ฟิสิกส์ซอร์ปชันเกี่ยวข้องกับแรงดึงดูดแบบวานเดอร์วาลส์ที่อ่อนแอ สามารถย้อนกลับได้ง่าย และสามารถสร้างได้หลายชั้น ในขณะที่เคมีซอร์ปชันจะสร้างพันธะเคมีจริงกับพื้นผิว มีความแข็งแรงกว่ามาก มักจำกัดอยู่ที่ชั้นโมโนเลเยอร์ และเป็นหัวใจสำคัญของปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยา

ทำไมแรงตึงผิวจึงทำให้หยดน้ำเล็กๆ มีรูปร่างกลม?

แรงตึงผิวคือต้นทุนพลังงานของพื้นที่รอยต่อ ดังนั้นระบบจึงลดพลังงานอิสระโดยการลดพื้นที่ผิว สำหรับปริมาตรที่กำหนด ทรงกลมมีพื้นที่ผิวน้อยที่สุด ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมหยดน้ำอิสระจึงมีรูปร่างนั้น