Hấp phụ và Nhiệt động lực học bề mặt

Các bề mặt lưu trữ năng lượng tự do dư thừa dưới dạng sức căng bề mặt, và các phân tử tích tụ tại các giao diện thông qua quá trình hấp phụ, được mô tả bằng các đường đẳng nhiệt liên hệ độ phủ bề mặt với áp suất hoặc nồng độ.

Definition

Hấp phụ là sự tích tụ của các phân tử tại một giao diện, và nhiệt động lực học bề mặt là mô tả nhiệt động lực học của các giao diện thông qua sức căng bề mặt, năng lượng tự do bề mặt, và các mối quan hệ chi phối các bề mặt cong và hấp phụ.

Scope

Chủ đề này bao gồm nhiệt động lực học của các giao diện và hiện tượng hấp phụ: sức căng bề mặt và năng lượng tự do bề mặt, các phương trình Young-Laplace và Kelvin cho các giao diện cong, và đẳng nhiệt hấp phụ Gibbs liên hệ lượng dư bề mặt với sự thay đổi sức căng bề mặt. Nó phát triển các đường đẳng nhiệt hấp phụ, bao gồm mô hình Langmuir cho hấp phụ đơn lớp và phần mở rộng BET cho đa lớp, sự phân biệt giữa hấp phụ vật lý (physisorption) và hấp phụ hóa học (chemisorption), và phép đo diện tích bề mặt. Vai trò xúc tác của hấp phụ được liên kết với động học, và các hiện tượng keo và tự lắp ráp được xử lý trong các chủ đề liên quan.

Core questions

• Sức căng bề mặt phát sinh như thế nào với tư cách là chi phí năng lượng tự do để tạo ra giao diện?
• Đẳng nhiệt hấp phụ Gibbs liên hệ lượng dư bề mặt với sức căng bề mặt như thế nào?
• Các đẳng nhiệt Langmuir và BET mô tả hấp phụ đơn lớp và đa lớp như thế nào?
• Điều gì phân biệt hấp phụ vật lý với hấp phụ hóa học?

Key concepts

• Sức căng bề mặt và năng lượng tự do bề mặt
• Các phương trình Young-Laplace và Kelvin
• Đẳng nhiệt hấp phụ Gibbs
• Các đẳng nhiệt Langmuir và BET
• Hấp phụ vật lý so với hấp phụ hóa học

Key theories

Đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir

Mô hình hóa một bề mặt như một mảng cố định gồm các vị trí tương đương, không tương tác, cho ra độ phủ tăng theo áp suất hoặc nồng độ và bão hòa ở một đơn lớp hoàn chỉnh, mô hình tham chiếu cho hấp phụ.

Đẳng nhiệt hấp phụ Gibbs

Lượng chất tan tích tụ tại một giao diện có liên quan về mặt nhiệt động lực học đến cách chất tan làm giảm sức căng bề mặt, giải thích tại sao các chất hoạt động bề mặt tập trung mạnh mẽ tại các giao diện.

Clinical relevance

Hấp phụ và nhiệt động lực học bề mặt chi phối xúc tác dị thể, lưu trữ và tách khí bằng vật liệu xốp, hoạt động của chất tẩy rửa và chất hoạt động bề mặt, tách sắc ký, đo diện tích bề mặt của chất xúc tác và dược phẩm, và sự thấm ướt và mao dẫn trong đất và mô sinh học.

History

Gibbs đã đặt nền móng cho nhiệt động lực học bề mặt vào những năm 1870; nghiên cứu của Langmuir về các đơn lớp và hấp phụ vào những năm 1910, được công nhận bằng giải Nobel năm 1932, và lý thuyết đa lớp Brunauer-Emmett-Teller năm 1938 đã thiết lập phân tích định lượng về hấp phụ và diện tích bề mặt.

Key figures

• Irving Langmuir
• J. Willard Gibbs
• Stephen Brunauer

Seminal works

• langmuir1916
• adamson1997

Frequently asked questions

Sự khác biệt giữa hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học là gì?

Hấp phụ vật lý liên quan đến lực hút van der Waals yếu, dễ dàng đảo ngược và có thể tạo thành nhiều lớp, trong khi hấp phụ hóa học tạo thành các liên kết hóa học thực sự với bề mặt, mạnh hơn nhiều, thường giới hạn ở một đơn lớp và là trung tâm của xúc tác.

Tại sao sức căng bề mặt làm cho các giọt nhỏ có hình cầu?

Sức căng bề mặt là chi phí năng lượng của diện tích giao diện, vì vậy một hệ thống giảm thiểu năng lượng tự do của nó bằng cách giảm thiểu diện tích bề mặt; đối với một thể tích nhất định, hình cầu có diện tích bề mặt nhỏ nhất, đó là lý do tại sao các giọt tự do có hình dạng đó.