Кинетикасына адсорбцияның әсері
Қатты дене сұйықта ерігенде еріткіш молекулаларының қатты заттың беттік қабатына адсорбциялануы байқалады. Адсорбция сатысы бүкіл процесс саталарының бірі болып саналады. Бұл кездегі еру процесін бірінші ретті реакция деп қарастыру дұрыс сияқты, өйткені қатты за бетінің бірлігінде еріткіштің концентрациясын тұрақты десек, еру жылдамдығы тек қатты затты бетіне пропорционал болады.
Қатты-сұйық шекарасы қасиетінің процестің кинетикасына тигізетін әсерін тек кинетикалық режимде, яғни жалпы жылдамдық химиялық адсорбциялық сатылармен анықталатын режимде табуға болады. Нақты жағдаларда беттік-активті қоспалардың әсерінен процесс жылдамдығының өзгеруін көруге болады.
Беттік-активті қоспалардың жылдамдыққа әсері мынадай өзгерістермен байланысты:
а) фазалар шекарасының активті центріне қоспалардың адсорбциялануы нәтижесінде қатты зат бетінің реакциялық қабілетінің өзгеруі;
б) фазалар шекарасының турбулентті пульсациясы мен талқандануы нәтижесінде фазааралық жанасу (түйісу) беттерінің геометриялық өзгеруі;
в) химиялық реакцияның беттік эффектісі нәтижесінде фазалардың жанасу (түйісу) беттердің геометриясының өзгеруі;
г) қатты зат бетінде моноқабат (жұқа қабат) түзілуі нәтижесінде диффузияның нашарлауы әсерінен жылдамдық константасының өзгеруі, беттік қабат құрылымының өзгеруі және фазааралық бетте еленуі пайда болуы.
Жалпы жағдайларда беттік-активті заттардың әсерінен жылдамдықты өзгертетін жоғарыда аталған себептердің бәрі де орын алады. Дегенмен, олардың ішінде жиі кездесетін адсорбция әсерінен болатын өзгерістер.
Адсорбция сатысының әсерін қарастырайық. Бұл сатының табиғаты таза физикалық адсорбциядан таза химиялық адсорбцияға (хемосорбция) дейін өзгереді.
Күрделі процесте барлық сатылардың ішінде адсорбция сатысының жылдамдығы әдетте жоғары болады. Бұл сатыны адсорбцияланатын зат немесе фазааралық беттегі бос орындар бойынша бірінші ретті реакция деп қарастыруға болатындықтан оның кинетикасын зерттеу онша қиын емес. Адсорбция процесін сипаттайтын сандық заттардың көбі осы постулатқа негізделіп табылған.
Біркелкі бетте өтетін реакциялар үшін жылдамдықтың теңдеулері Лэнгмюрдің адсорбциялық изотермосын қолдану негізінде табылған. Бұл арада Хиншельвуд ашқан беттер әрекеттесу заңын (массалар әрекеттесу заңына ұқсайды) айтуға болады.
Жеңілдік үшін алдымен тек заттың адсорбциялануын қарастырайық.
Адсорбция бетін біркелкі және адсорбцияланған молекулалар өзара әрекеттеспейді десек, онда адсорбция жылдамдығы (Wадс.) беттік қабатының адсорбцияланбаған бөлігіне (1-Ө) және әрекеттесуші (адсорбцияланушы) заттың концентрациясына (С) пропорционал:
Wадс.=К1С(1-Ө)
Ал десорбцияның жылдамдығы (Wдес.) беттік адсорбцияланған бөлігіне (Ө) пропорционал: Wдес.=К2(Ө). К1 және К2-адсорбция және десорбцияның жылдамдық константалары. Адсорбциялық тепе-теңдікте Wадс.=Wдес., демек К1С(1-Ө)-К2Ө=0. Бұдан беттік қабаттың адсорбцияланған бөлігін (демек, беттің затпен толтырылған активті бөліктерінің үлесін) тапсақ:
Ө=K1C/(K2+K1C)=bc/(1-bc) (ХІХ.24)
Мұндағы b=К1/К2 – адсорбциялық тепе-теңдіктің константасы, оны адсорбциялық коэффициент деп атайды: b шамасы хемосорбция жылуымен (ΔНхс) мынадай байланыста: b=b0еΔН
Алынған (ХІХ.24)-теңдеу Ленгмюрдің изотермалық теңдеуі деп аталады. Егер адсорбция әлсіз, яғни Ө< <1, сондықтан b< <1 болса, онда теңдеудің бөліміндегі bc шамасын елемеуге болады да, теңдеу мына түрге келеді: Ө bc. Бұл теңдеу адсорбцияның сызықты изотермасын береді. Керісінше, егер адсорбция күшті жүретін болса, онда bc> >1, сонда Ө=1=const. Кейбір жағдайларда адсорбция изотермасы дәрежелік тәуелділікпен сипатталады (Фрейндлих изотермасы): Ө=b·Cn.
Кейде затты еріту үшін бір емес, бірнеше реагенттердің қоспасы пайдаланылады. Мысалы:
Cu2S+1/2O2+2HCl+2ЭДТА→2Cu(ЭДТА)+S0+H2O
Халькозиннің (Сu2S) беттік-активті заттардың қатарындағы еру процесінің жылдамдық константасы; К2-беттік-активті затпен (ЭДТА) толтырылған, беттегі процестің жылдамдық константасы.
Беттік-активті заттардың (ЭДТА, НСl) аз мөлшерінің өзі минерал бетіне адсорбцияланған оттегін ығыстырып шығады, соның нәтижесінде минералдың еруі тездейді.
Екі шекті жағдайды қарастырайық:
а) егер Ө=0 болса, онда жылдамдық W кәдімгі кинетикалық теңдеумен өрнектеледі.