Ενθαλπία προσρόφησης

Η προσρόφηση είναι ένα επιφανειακό φαινόμενο κατά το οποίο προσροφητικά μόρια έλκονται από το προσροφητικό. Η αντίδραση προσρόφησης είναι μια εξώθερμη διαδικασία επειδή η ενέργεια (θερμότητα) απελευθερώνεται πάντα όταν συμβαίνουν ελκυστικές αλληλεπιδράσεις. Η ενθαλπία της προσρόφησης είναι η ποσότητα της θερμότητας που εκπέμπεται όταν ένα mole προσροφημένου υλικού απορροφάται κυρίως στην επιφάνεια ενός προσροφητικού.

Ενθαλπία προσρόφησης

Η ενθαλπία προσρόφησης είναι ένας θερμοδυναμικός όρος που αναφέρεται στην ποσότητα θερμότητας που εκπέμπεται ή χρησιμοποιείται κατά τη διαδικασία προσρόφησης. Η προσρόφηση είναι ένας θερμοδυναμικά πλεονεκτικός μηχανισμός στη συντριπτική πλειονότητα των περιπτώσεων. Η εξίσωση Van’t Hoff θα χρησιμοποιηθεί για να εκφράσει μαθηματικά τις σημειώσεις της ενθαλπίας προσρόφησης.

Η θερμότητα της προσρόφησης είναι η ποσότητα της θερμότητας που παράγεται όταν ένα γραμμομόριο αερίου προσροφάται στο προσροφητικό. Η προσρόφηση είναι η κύρια αιτία των δυνάμεων διασποράς του Λονδίνου, μιας δύναμης Van der Waals μεταξύ των μορίων. Η δύναμη δρα παρόμοια με τις μαγνητικές δυνάμεις μεταξύ των πλανητών. Η χημική απορρόφηση έχει υψηλότερη ενθαλπία προσρόφησης από τη φυσική προσρόφηση επειδή απαιτεί το σχηματισμό χημικών δεσμών.

Μηχανισμός Προσρόφησης

Η προσρόφηση είναι η αντίδραση κατά την οποία ιόντα, άτομα ή μόρια από το υγρό, το αέριο ή τα διαλυμένα στερεά προσκολλώνται σε μια επιφάνεια. Αυτή η διαδικασία έχει ως αποτέλεσμα το σχηματισμό ενός προσροφητικού στρώματος στην επιφάνεια του προσροφητικού.

Η προσρόφηση συμβαίνει επειδή τα επιφανειακά σωματίδια του προσροφητικού δεν βρίσκονται στο περιβάλλον όπως τα χύδην σωματίδια. Σε όλο το προσροφητικό, οι δυνάμεις μεταξύ των σωματιδίων είναι ισορροπημένες, αλλά επειδή το είδος τους δεν τις συνοδεύει, παρουσιάζουν την άνιση ή υπολειπόμενη δύναμη έλξης. Τα προσροφητικά σωματίδια έλκονται στις επιφάνειες των προσροφητικών σωματιδίων με προσροφητικές δυνάμεις.

Η προσρόφηση αυξάνεται όταν η επιφάνεια του προσροφητικού για κάθε μονάδα μάζας αυξάνεται σε συγκεκριμένη θερμοκρασία και πίεση. Ένα άλλο κρίσιμο χαρακτηριστικό της προσρόφησης είναι η θερμότητα της προσρόφησης. Κατά τη διάρκεια της προσρόφησης, οι υπολειπόμενες επιφανειακές δυνάμεις ή η επιφανειακή ενέργεια μειώνονται συνεχώς, με αποτέλεσμα τη θερμότητα.

Το παράδειγμα της ενθαλπίας προσρόφησης είναι μια εξώθερμη αντίδραση με σταθερή αρνητική μεταβολή ενθαλπίας. Όταν τα προσροφημένα μόρια προσκολλώνται σε μια επιφάνεια, η ελευθερία κινήσεών τους περιορίζεται, μειώνοντας την εντροπία. Επειδή η προσρόφηση λαμβάνει χώρα αυθόρμητα σε σταθερή θερμοκρασία και πίεση, η ελεύθερη ενέργεια Gibbs μειώνεται παρομοίως.

Τύποι προσρόφησης

Η προσρόφηση κατηγοριοποιείται με βάση τη φύση των δυνάμεων που κρατούν τα μόρια του προσροφητικού στην επιφάνεια του προσροφητικού. Υπάρχουν δύο διαφορετικοί τύποι προσρόφησης, η φυσική και η χημική προσρόφηση.

Φυσική προσρόφηση (Physisorption)

Η φυσική προσρόφηση συμβαίνει όταν τα προσροφητικά σωματίδια προσκολλώνται στην επιφάνεια του προσροφητικού μέσω φυσικών διεργασιών όπως οι δυνάμεις Van Der Waals. Επειδή οι ελκτικές δυνάμεις είναι αδύναμες, μπορούν εύκολα να αντιμετωπιστούν με αυξημένη θερμοκρασία ή μειωμένη πίεση. Η φυσική προσρόφηση είναι αναστρέψιμη ή μειωμένη. Η ενθαλπία προσρόφησης είναι χαμηλή επειδή οι ελκυστικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ του προσροφητικού και του προσροφητικού σωματιδίου είναι αδύναμες (δυνάμεις Van Der Waals).

Δυνατότητες Physissorption

• Δεν υπάρχει περιορισμός ως προς τον τύπο αερίου που μπορεί να προσροφηθεί στην επιφάνεια.
• Έχει αποδειχθεί ότι τα αέρια με υψηλή ρευστότητα απορροφώνται πιο έντονα φυσικά.
• Είναι αναστρέψιμο και εξαρτάται από την πίεση και τη θερμοκρασία. Η αυξημένη πίεση μειώνει τον όγκο του αερίου και έτσι ενισχύει την προσρόφηση των μορίων. Τα μόρια αερίου στη στερεά επιφάνεια θα αφαιρεθούν όταν μειωθεί η πίεση.
• Λόγω της εξώθερμης φύσης της διαδικασίας προσρόφησης, η φυσική προσρόφηση λαμβάνει χώρα ταχέως σε χαμηλές θερμοκρασίες και μειώνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας (αρχή του Le-Chatelier).
• Τα πορώδη υλικά είναι ανώτερα προσροφητικά επειδή η μεγαλύτερη επιφάνεια τους διευκολύνει την προσρόφηση.
• Η ενεργοποίηση δεν απαιτεί ενέργεια.

Χημική προσρόφηση (Chemisorption)

Η χημική προσρόφηση ή η χημική απορρόφηση συμβαίνει όταν τα μόρια προσροφητικού δεσμεύονται στην επιφάνεια ενός προσροφητικού μέσω χημικών δυνάμεων ή χημικών δεσμών. Μια χημική αντίδραση λαμβάνει χώρα στην επιφάνεια μεταξύ των μορίων προσρόφησης και του προσροφητικού. Αυτός είναι ένας μη αναστρέψιμος τύπος προσρόφησης. Οι ελκτικές δυνάμεις μεταξύ του προσροφητικού και του προσροφητικού σωματιδίου βασίζονται σε ισχυρούς χημικούς δεσμούς, που έχουν ως αποτέλεσμα υψηλή μοριακή θερμότητα προσρόφησης.

Χαρακτηριστικά της χημειορόφησης

• Το γεγονός ότι η διαδικασία είναι συγκεκριμένης φύσης σημαίνει ότι θα λάβει χώρα μόνο εάν δημιουργηθεί ένας χημικός δεσμός μεταξύ τόσο του προσροφητικού όσο και του προσροφητικού.
• Η διαδικασία είναι μη αναστρέψιμη.
• Είναι μια εξώθερμη αντίδραση που αυξάνει τη θερμοκρασία.
• Σε χαμηλές θερμοκρασίες, εμφανίζεται πιο αργά, ενώ σε υψηλότερες πιέσεις, εμφανίζεται πιο γρήγορα.
• Το εμβαδόν της επιφάνειας σχετίζεται άμεσα με τον ρυθμό με τον οποίο λαμβάνει χώρα η χημειορόφηση και αυτός ο ρυθμός αυξάνεται καθώς αυξάνεται η επιφάνεια.
• Η ενθαλπία προσρόφησης είναι υψηλή λόγω του σχηματισμού χημικού δεσμού.
• Απαιτείται μια συγκεκριμένη ποσότητα ενέργειας ενεργοποίησης.

Συμπέρασμα

Η ενθαλπία προσρόφησης είναι μια κρίσιμη μέτρηση για τον προσδιορισμό της ενεργειακής μεταβλητότητας της επιφάνειας του προσροφητικού. Η ισοστερική προσρόφηση είναι μια βασική παράμετρος για την παροχή πληροφοριών σχετικά με τον μηχανισμό προσρόφησης μιας διαδικασίας προσρόφησης σε ένα προσροφητικό. Ορίζεται ως η ποσότητα θερμότητας που απελευθερώνεται όταν ένα προσροφητικό προσκολλάται ή αποκολλάται από τη στερεά επιφάνεια ενός προσροφητικού. Η ενθαλπία προσρόφησης είτε εκτιμάται απευθείας χρησιμοποιώντας θερμιδομετρία είτε υπολογίζεται χρησιμοποιώντας την εξίσωση θερμοδυναμικής Clausius–Clapeyron από τον μηχανισμό προσρόφησης που καταγράφεται σε διάφορες θερμοκρασίες.