ไอโซเทอมของการดูดซับ
(adsorption
isotherm) คือความสัมพันธ์ระหว่างปริมาณของสารที่ถูกดูดซับ
(adsorbate)
ที่ถูกดูดซับบนพื้นผิวของสารดูดซับ
(adsorbent)
กับความดันที่อุณหภูมิคงที่
แบบจำลองของการดูดซับที่จะกล่าวถึงต่อไป
สามารถใช้ได้กับการดูดซับทางกายภาพและการดูดซับทางเคมี
โดยมีข้อแม้ว่าการดูดซับจะต้องเข้าสู่สมดุลย์และกระบวนการดูดซับนั้นจะต้องสามารถผันกลับได้
(หมายความว่าตัวสารดูดซับ
(adsorbate)
นั้นจะต้องไม่มีการเปลี่ยนแปลงเมื่อผ่านขั้นตอนการดูดซับและการคายตัว)
ในกระบวนการดูดซับนั้น
สำหรับกรณีที่สาร A
ไม่เกิดการแตกตัวออกเป็นโมเลกุลที่เล็กลง(๑)
สารที่ถูกดูดซับ
(A)
จะถูกดูดซับบนตำแหน่งดูดซับ
(θ)
บนพื้นผิวของสารดูดซับดังสมการ
เมื่อ
θ
คือสัดส่วนของพื้นผิวที่ยังไม่ถูกปกคลุมด้วยสาร
A
ตามหลักของเลอชาเตอริเยร์
(Le-Chatelier
principle) นั้น
สมดุลของระบบจะเปลี่ยนแปลงไปในทิศทางที่พยายามลดการรบกวนระบบ
ดังนั้นในกรณีของการดูดซับนั้นเมื่อความดัน
(ในสถานะแก๊ส)
หรือความเข้มข้น
(ในสถานะของเหลว)
ของสารที่ถูกดูดซับในระบบเพิ่มสูงขึ้น
ปริมาณสารที่ถูกดูดซับบนพื้นผิวก็จะเพิ่มขึ้น
และในทางกลับกันเมื่อความดันหรือความเข้มข้นของสารที่ถูกดูดซับในระบบลดลง
ปริมาณสารที่ถูกดูดซับบนพื้นผิวก็จะลดลง
ดังนั้นตามหลักการนี้
สิ่งที่เราคาดการณ์ได้ก็คือความสัมพันธ์ระหว่างปริมาณสารที่ถูกดูดซับและความดันหรือความเข้มข้นของสารที่ถูกดูดซับจะเปลี่ยนแปลงไปในทิศทางเดียวกัน
กล่าวคือเมื่อเพิ่มความดันหรือความเข้มข้นของสารที่ถูกดูดซับ
ปริมาณสารที่ถูกดูดซับเอาไว้โดยสารดูดซับก็จะเพิ่มตามไปด้วย
ในปีค.ศ.
๑๙๐๙
(พ.ศ.
๒๔๕๒)
Freundlich(๒)
ได้เสนอสูตรเอมพิริกัล
(empirical
expression) แสดงความสัมพันธ์ระหว่างปริมาณสารที่ถูกดูดซับ
(x)
ต่อหน่วยน้ำหนักของสารดูดซับ
(m)
กับความดันเหนือพื้นผิวของสารดูดซับ
(P)
ดังนี้
เมื่อ
k
และ
n
คือค่าคงที่ที่ขึ้นอยู่กับชนิดของแก๊ส
สารดูดซับ และอุณหภูมิของการดูดซับ
โดย n
มีค่ามากกว่า
1
และค่า
k
และ
n
จะมีค่าลดลงเมื่ออุณหภูมิเพิ่มสูงขึ้น
แบบจำลองนี้เป็นที่รู้จักกันในชื่อ
Freundlich
Adsorption Isotherm หรือ
Freundlich
Adsorption equation หรือเรียกกันง่าย
ๆ ว่าFreundlich
Isotherm
ถ้าเราทำการ
take
logarithm สมการที่
(2)
จะได้สมการเชิงเส้น
กล่าวคือถ้าเราเขียนกราฟระหว่าง
log(x/m)
กับ
log(P)
แล้วจะได้กราฟเส้นตรง
กราฟเส้นตรงดังกล่าวจะมีความชันเท่ากับ
(1/n)
และตัดแกน
y
ที่ตำแหน่ง
log(k)
ดังตัวอย่างแสดงในรูปที่
๑ ข้างล่าง
รูปที่
๑ กราฟความสัมพันธ์ระหว่างความดัน
(P)
และการดูดซับ
(x/m)
ตามแบบจำลองของ
Freundlich
ที่ค่า
k
= 1 และ
n
= 2.6
สมการไอโซเทอมนี้ไม่มีขีดจำกัดของการดูดซับ
กล่าวอีกนัยหนึ่งคือค่า
x/m
เพิ่มขึ้นไปได้เรื่อย
ๆ อย่างไม่มีขีดจำกัด
แต่ในความเป็นจริงนั้นสารดูดซับจะมีความสามารถในการดูดซับสารอื่นได้เพียงแค่ระดับหนึ่งเท่านั้น
(ดูดซับจนอิ่มตัว)
การเพิ่มความดันหรือความเข้มข้นของสารดูดซับให้สูงขึ้นไปอีกจะไม่ทำให้ปริมาณสารที่ถูกดูดซับเอาไว้บนพื้นผิวเพิ่มขึ้นอย่างไม่มีขีดจำกัด
ดังนั้นแบบจำลองของ Freundlich
นั้นจึงมีปัญหาเมื่อพื้นผิวได้ทำการดูดซับสารเอาไว้จนใกล้จุดอิ่มตัว
อย่างไรก็ตามถ้าหากเราไม่ทราบแน่ชัดว่าสิ่งที่ดูดนั้นคืออะไร
หรือเราไม่สนใจว่ากลไกการดูดซับนั้นจะเป็นแบบใด
เราก็สามารถเอาแบบจำลองนี้ไปใช้ได้
เพราะสมการของ Freundlich
ก็ให้กราฟที่เพิ่มขึ้นแบบรูปโค้งคว่ำแบบการดูดซับทั่วไป
หนังสือและเว็บที่เกี่ยวข้อง
Bond,
G.C., "Heterogeneous Catalysis : Principles and Applications"
2nd edition, Oxford University Press, pp 12-22, 1987.
Satterfield,
C.N., "Heterogeneous Catalysis in Industrial Practice" 2nd
edition, McGraw Hill, pp 46, 1991.
http://www.chemistrylearning.com/adsorption-isotherm
http://en.wikipedia.org/wiki/Adsorption
หมายเหตุ
(๑)
ตัวอย่างการดูดซับแล้วเกิดการแตกตัวได้แก่การดูดซับแก๊ส
H2
บนพื้นผิวโลหะ
ซึ่งโมเลกุลแก๊ส H2
จะแตกตัวออกเป็นอะตอมไฮโดรเจน
H
2 อะตอม
(๒)
ในเว็บ
http://en.wikipedia.org/wiki/Adsorption
ให้ข้อมูลว่ามีการเผยแพร่แบบจำลองดังกล่าวเป็นครั้งแรกในปีค.ศ.
๑๘๙๔
โดย Freundlich
และ
KÜster
แต่ในเว็บhttp://www.chemistrylearning.com/adsorption-isotherm
และ
http://en.wikipedia.org/wiki/Freundlich_equation
ให้ข้อมูลว่าเป็นปีค.ศ.
๑๙๐๙
โดย Freundlich
เพียงคนเดียว
และในเว็บ
http://en.wikipedia.org/wiki/Herbert_Freundlich
ของ
wikipedia
เองด้วยนั้นบอกว่า
Freundlich
ผู้ซึ่งเป็นนักเคมีชาวเยอรมันนั้นเกิดในปีค.ศ.
๑๘๘๐
รูปที่
๒ Herbert
Max Freundlich เกิด
๒๘ มกราคมปีค.ศ.
๑๘๘๐
ถึงแก่กรรม ๓๑ มีนาคมปีค.ศ.
๑๙๔๑
เป็นผู้อำนวยการสถาบัน
Kaiser
Wilhelm Institute for Physical Chemistry and Electrochemistry
ในประเทศเยอรมันนีจากปีค.ศ.
๑๙๑๙
ถึงปึค.ศ.
๑๙๓๓
(เนื่องจากถูกบังคับให้ลาออก
ผมเดาว่าคงเป็นเพราะว่าเขามีเชื้อสายยิว)
รูปภาพจาก
http://biospektrum.de/blatt/d_bs_download&_id=1008995
(บทความนี้เป็นไฟล์
pdf
ภาษาเยอรมัน)
