Sự hấp phụ (Adsorption)

Một số khái niệm

- Mọi quá trình tập trung chất lên bề mặt phân cách pha được gọi là sự hấp phụ

Bề mặt phân cách pha có thể là khí- lỏng, khí- rắn, lỏng- lỏng, lỏng- rắn.

Ví dụ: Khi cho than tiếp xúc với O₂ thì than hút O₂ làm khí O₂ tập trung lên bề mặt của nó, ta nói than hấp phụ O₂. Trong quá trình nhuộm, những sợi bông thực vật hấp phụ những chất màu (hấp phụ cation) từ môi trường dung dịch thuốc nhuộm. . .

- Vật hấp phụ (adsorbent) là vật có bề mặt pha rắn hay lỏng thu hút và giữ ở bề mặt của mình những chất bị hấp phụ (adsorbate) như ion, nguyên tử, phân tử...

- Đồng thời với quá trình hấp phụ (adsorption) có thể xảy ra quá trình hấp thu (absorption) là quá trình thu hút vào sâu bên trong thể tích chất hấp phụ.

Trong chương này chúng ta chỉ quan tâm đến quá trình hấp phụ vì nó có liên quan đến trạng thái bề mặt của hệ dị thể.

Phân loại hấp phụ

Người ta phân làm 2 loại hấp phụ: hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học.

- Trong sự hấp phụ vật lý, chất bị hấp phụ tương tác với bề mặt vật hấp phụ bởi những lực vật lý (như lực Van der Waals) và không có sự trao đổi e- giữa hai chất này. Ngược lại trong sự hấp phụ hóa học, liên kết sẽ hình thành giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ.

- Sự hấp phụ lý học luôn kèm theo một quá trình ngược lại là sự phản hấp phụ. Sau một thời gian xác định, tốc độ hấp phụ bằng tốc độ phản hấp phụ, ta có một cân bằng hấp phụ (cân bằng động). Với mỗi nồng độ chất bị hấp phụ trong môi trường ta có một trạng thái cân bằng khác nhau. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự hấp phụ tuân theo nguyên lý Le Châtelier vì sự hấp phụ là một quá trình phát nhiệt.

Bảng so sánh hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học

Biểu diễn sự hấp phụ

Sự hấp phụ được đánh giá qua các đại lượng biểu diễn lượng hấp phụ:

a. Độ hấp phụ x là lượng chất bị hấp phụ (tính theo mol, mmol) trong một đơn vị diện tích bề mặt vật hấp phụ (tính theo cm²) , đó chính là hàm lượng bề mặt của chất bị hấp phụ . x=nCBHPsCHP size 12{x= { {n rSub { size 8{ ital "CBHP"} } } over {s rSub { size 8{ ital "CHP"} } } } } {} (mol/cm² hoặc mmol/cm²) (2.1)

b. Khi bề mặt vật hấp phụ không đo được, lượng chất bị hấp phụ được qui về 1 đơn vị khối lượng vật hấp phụ (tính theo gam) và ký hiệu x’.

Ta có x'=nCBHPmCHP size 12{x rSup { size 8{'} } = { {n rSub { size 8{ ital "CBHP"} } } over {m rSub { size 8{ ital "CHP"} } } } } {} (mol/g) (2.2)

c. Đại lượng Gibbs Γ là lượng dư của số mol chất bị hấp phụ trong thể tích lớp bề mặt có diện tích 1 cm² so với số mol của nó trong toàn thể tích, nếu trong mặt tiếp xúc pha không có sự thay đổi hàm lượng chất bị hấp phụ.

Khi hàm lượng chất bị hấp phụ thấp, đại lượng Γ xấp xỉ với x, nhưng khi hàm lượng chất lớn thì Γ khác x. Trong các trường hợp nếu hàm lượng chất hấp phụ trên lớp bề mặt nhỏ hơn hàm lượng của nó trong thể tích, đại lượng Γ âm, thì hiện tượng được gọi là hấp phụ âm.

Độ hấp phụ x là một hàm của nhiều thông số, trong đó 2 thông số quan trọng là nhiệt độ, áp suất: x = f (P,T). Giản đồ hấp phụ được biểu diễn theo các đường đẳng nhiệt (T= const), đẳng áp (P = const) và đẳng lượng (x = const).

Các chất hoạt động bề mặt, chất không hoạt động bề mặt

Khi hòa tan một chất nào đó vào chất lỏng thì sức căng bề mặt (σ) của dung dịch sẽ khác σ của chất lỏng nguyên chất. So sánh σ của dung dịch với σ của dung môi, người ta chia chất tan thành hai loại: chất hoạt động bề mặt và chất không hoạt động bề mặt.

* Chất hoạt động bề mặt là chất có khả năng chất chứa trên lớp bề mặt, có nghĩa là có độ hấp phụ dương.

- Chất hoạt động bề mặt có những tính chất sau :

. Có sức căng bề mặt bé hơn của dung môi, vì như vậy sự chất chứa chất đó trên bề mặt dung môi mới là quá trình nhiệt động học tự diễn ra. Kết quả là σdd<σdm size 12{σ rSub { size 8{ ital "dd"} } <σ rSub { size 8{ ital "dm"} } } {}

. Có độ tan tương đối bé, vì nếu không như thế thì nó có xu hướng tách rời khỏi bề mặt mà tan sâu vào trong chất lỏng.

- Có thể kể một số chất HĐBM trong dung dịch nước là những hợp chất hữu cơ phân cực như acid hay baz và muối của chúng, những dẫn xuất halogen, rượu.... Đặc điểm của các chất này là có cấu trúc phân tử gồm hai phần:

. Nhóm định chức phân cực : -OH, -COOH, -NO₂ , -NH₂, -Cl .... Phần phân cực có momen lưỡng cực lớn và dễ hydrat hóa làm cho chất hoạt động bề mặt có ái lực lớn với nước và bị kéo vào phía lớp nước.

. Nhóm không phân cực: gốc hydrocarbon -R, là phần kỵ nước, là nguyên nhân làm cho chất HĐBM có độ tan nhỏ.

- Thường người ta biểu diễn chất HĐBM như sau : ----O

Vòng tròn biểu diễn nhóm chức phân cực, đoạn thẳng là gốc không phân cực.

- Những chất HĐBM được phân bố ở lớp bề mặt nhiều hơn trong thể tích hệ.

* Chất không hoạt động bề mặt là chất có xu hướng rời khỏi bề mặt để tan sâuvào dung dịch, khi đó độ hấp phụ âm.

- Chất không hoạt động bề mặt có các tính chất sau :

. Có sức căng bề mặt lớn hơn của dung môi, như thế quá trình rời khỏi bề mặt mới là quá trình nhiệt động học tự diễn ra. Kết quả là luôn có σ_dd > σ_dm

. Có độ tan cao, vì thế chất mới có thể rời khỏi bề mặt mà tan sâu vào dung dịch

- Các chất điện ly về cơ bản đều là chất không hoạt động bề mặt, đó là các acid, baz, muối. Phân tử của chúng không có phần kỵ nước, khi tan thì điện ly thành những ion hydrat hóa mạnh.