Adsorpsiyon ve Yüzey Termodinamiği
Yüzeyler, fazla serbest enerjiyi yüzey gerilimi olarak depolamaktadır ve moleküller, yüzey örtüsünü basınca veya konsantrasyona bağlayan izotermler aracılığıyla arayüzeylerde adsorpsiyon yoluyla birikmektedir.
Tanım
Adsorpsiyon, moleküllerin bir arayüzeyde birikmesidir ve yüzey termodinamiği, arayüzeylerin yüzey gerilimi, yüzey serbest enerjisi ve eğimli ve adsorbe edici yüzeyleri yöneten ilişkiler aracılığıyla termodinamik tanımıdır.
Kapsam
Bu konu, arayüzeylerin termodinamiğini ve adsorpsiyon olgusunu kapsamaktadır: yüzey gerilimi ve yüzey serbest enerjisi, eğimli arayüzeyler için Young-Laplace ve Kelvin denklemleri ve yüzey fazlalığını yüzey gerilimindeki değişikliklere bağlayan Gibbs adsorpsiyon izotermi. Tek tabakalı adsorpsiyon için Langmuir modeli ve çok tabakalı adsorpsiyon için BET uzantısı dahil olmak üzere adsorpsiyon izotermlerini, fizyosorpsiyon (physisorption) ve kemosorpsiyon (chemisorption) arasındaki ayrımı ve yüzey alanı ölçümünü geliştirmektedir. Adsorpsiyonun katalitik rolü kinetik ile ilişkilendirilmekte, koloidal ve kendi kendine birleşme (self-assembly) olguları ise ilgili diğer konularda ele alınmaktadır.
Temel sorular
- Yüzey gerilimi, arayüzey oluşturmanın serbest enerji maliyeti olarak nasıl ortaya çıkmaktadır?
- Gibbs adsorpsiyon izotermi, yüzey fazlalığını yüzey gerilimiyle nasıl ilişkilendirmektedir?
- Langmuir ve BET izotermleri, tek tabakalı ve çok tabakalı adsorpsiyonu nasıl tanımlamaktadır?
- Fizyosorpsiyonu (physisorption) kemosorpsiyondan (chemisorption) ayıran nedir?
Anahtar kavramlar
- Yüzey gerilimi ve yüzey serbest enerjisi
- Young-Laplace ve Kelvin denklemleri
- Gibbs adsorpsiyon izotermi
- Langmuir ve BET izotermleri
- Fizyosorpsiyon (physisorption) ve kemosorpsiyon (chemisorption) ayrımı
Temel kuramlar
- Langmuir adsorpsiyon izotermi
- Bir yüzeyi eşdeğer, etkileşmeyen sabit bir dizi olarak modellemek, basınç veya konsantrasyonla artan ve tam bir tek tabakada doygunluğa ulaşan bir örtü verir; bu, adsorpsiyon için referans modeldir.
- Gibbs adsorpsiyon izotermi
- Bir arayüzeyde biriken çözünen madde miktarı, çözünen maddenin yüzey gerilimini nasıl düşürdüğüyle termodinamik olarak ilişkilidir; bu durum, yüzey aktif maddelerin arayüzeylerde neden güçlü bir şekilde yoğunlaştığını açıklamaktadır.
Klinik önem
Adsorpsiyon ve yüzey termodinamiği, heterojen katalizi, gözenekli malzemelerle gaz depolama ve ayırmayı, deterjan ve yüzey aktif maddelerin etkisini, kromatografik ayırmayı, katalizörlerin ve farmasötiklerin yüzey alanı ölçümünü ve topraklar ile biyolojik dokulardaki ıslanma ve kılcallığı yönetmektedir.
Tarihçe
Gibbs, 1870'lerde yüzeylerin termodinamiğini kurmuştur; Langmuir'in 1910'lardaki tek tabakalar ve adsorpsiyon üzerine çalışması, 1932 Nobel Ödülü ile tanınmış ve 1938'deki Brunauer-Emmett-Teller çok tabakalı teorisi, adsorpsiyon ve yüzey alanının nicel analizini sağlamıştır.
Öne çıkan isimler
- Irving Langmuir
- J. Willard Gibbs
- Stephen Brunauer
İlgili konular
Temel eserler
- langmuir1916
- adamson1997
Sıkça sorulan sorular
- Fizyosorpsiyon (physisorption) ile kemosorpsiyon (chemisorption) arasındaki fark nedir?
- Fizyosorpsiyon, zayıf van der Waals çekimini içermekte, kolayca tersine çevrilebilmekte ve çoklu tabakalar oluşturabilmektedir; kemosorpsiyon ise yüzeyle gerçek kimyasal bağlar oluşturmakta, çok daha güçlü olmakta, genellikle tek bir tabaka ile sınırlı kalmakta ve kataliz için merkezi bir rol oynamaktadır.
- Yüzey gerilimi neden küçük damlacıkları küresel yapmaktadır?
- Yüzey gerilimi, arayüzey alanının enerji maliyetidir, bu nedenle bir sistem, yüzey alanını en aza indirerek serbest enerjisini minimize etmektedir; belirli bir hacim için küre en az yüzey alanına sahiptir, bu da serbest damlacıkların bu şekli almasının nedenidir.