Chimie interfazică

Chimia interfazică este o ramură a chimiei fizice care se ocupă cu tratamentul termodinamic al suprafeței și tensiunii interfațiale a lichidelor și solidelor pure și a amestecurilor aferente dintre gaze , lichide și solide. Mai mult, formarea filmelor pe substraturi lichide este caracterizată, atât din punct de vedere termodinamic, cât și din punct de vedere cinetic .

Definiția interface

Același subiect în detaliu: Interfață (chimie) .

O interfață este o suprafață de delimitare între două faze diferite, cum ar fi, de exemplu, un lichid și un solid care este nemiscibil în ea, sau două lichide nemiscibile, sau un lichid și un gaz care este insolubil în ea.

Fenomenele care au loc la interfață influențează fizica sistemului în cauză cu cât raportul suprafață / volum este mai mare. Studiul interfețelor este, prin urmare, fundamental în sistemele cu un raport mare suprafață / volum, cum ar fi coloizi .

În general, interfețele pot fi considerate sferice sau plate (în plus, interfețele plate pot fi considerate ca interfețe sferice cu o rază de curbură finită sau infinită). De exemplu, picăturile de ulei de pe salată pot fi considerate sferice, în timp ce interfața aer-apă din apa unui pahar este în esență plană.

O proprietate caracteristică a interfețelor este tensiunea superficială , care reprezintă forțele care acționează pe suprafețele interfeței.

Interfețele pot provoca, de asemenea, diverse fenomene optice, cum ar fi refracția . Lentilele optice sunt un exemplu de aplicare practică a legilor opticii la interfața sticlă-aer .

Generalitate

Chimia interfazică este studiul fenomenelor chimice care apar la interfața a două faze, de exemplu între un gaz (cum ar fi aerul ) și un solid, sau între un lichid și un solid.

Cercetările privind chimia interfazelor sunt strâns legate de „funcționalizarea” unei suprafețe, o tehnică care are ca scop modificarea compoziției suprafeței unei suprafețe prin încorporarea elementelor sau grupurilor funcționale care modifică proprietățile suprafeței sau ale interfeței în sine. ^[1] Studiul și analiza structurii și proprietăților unei suprafețe interfazice implică tehnici de analiză fizică și chimică.

Acest studiu, început printre altele de Irving Langmuir în jurul anului 1920 , sa dezvoltat odată cu apariția microscopilor electronici de scanare și a microscopilor electronici cu efect de tunel . Langmuir este, de asemenea, responsabil pentru ecuația (numită ecuația Langmuir ) care este utilizată pentru modelarea adsorbției ^[2] a unui strat monatomic, în care toate situsurile de adsorbție au aceeași afinitate pentru suprafața adsorbită.

Chimia interfazică este în esență interesată de studiul următoarelor fenomene:

Formarea bulelor și a cavităților
Adsorbție : aderența moleculelor de gaz sau lichide la suprafață; poate fi împărțit în continuare în adsorbție fizică și adsorbție chimică (sau „chemiadsorbție”). Operația de adsorbție este exploatată în domeniul catalizei eterogene.
Absorbție : schimb de materie între cea mai mare parte a două faze prin interfața lor; absorbția este exploatată în operația unitară de absorbție gaz-lichid .
Dublu strat electric : comportamentul unei suprafețe (sau, mai general, a unei interfețe) în cadrul unei soluții depinde de sarcina de suprafață, dipoli , energii și distribuția lor în „dublu strat electric” . Studiul stratului dublu electric se aplică în câmpul fenomenelor electrochimice .

Mecanismul de absorbție (a) și adsorbție (b). Punctele albastre reprezintă moleculele solutului .

Stratul dublu electric

Același subiect în detaliu: strat dublu electric .

Structură electrică cu strat dublu:
1. IHP - Strat interior Helmoltz （Strat interior Helmholtz）
2. OHP - Stratul exterior Helmoltz （Stratul exterior Helmholtz）
3. Film difuziv
4. Ionii solvați
5. Ioni adsorbiți
6. Molecule de solvent.

Stratul dublu electric (în engleză electric double-layer) constă dintr-o structură care are originea la solid-lichid, în corespondența căreia se stabilește un transfer de sarcină electrică .

Solidul este constituit de electrod , în timp ce lichidul este reprezentat de electrolit .

Transferul de încărcare are loc ca rezultat al interacțiunii dintre suprafața solidului și ionii prezenți în lichid.

Absorbția: teoria celor două filme

Același subiect în detaliu: teoria filmului .

Creată în 1920 de Whitman și Lewis , această teorie afirmă că:

În corespondență cu orice regiune interfațială, este posibil să se identifice două porțiuni (sau "filme"), una care corespunde unei părți a interfeței și una către cealaltă parte, în cadrul căreia singurul mod de transport al materiei este mecanismul difuziv . Prin urmare, se presupune că cele două porțiuni de fază numite filme sunt „stagnante”, adică nu există contribuții convective .
La interfață, condițiile „echilibrului de fază” sunt garantate (adică legea lui Henry este valabilă).
Filmele au o grosime neglijabilă în comparație cu volumul ^[3] . Teoria presupune că în cea mai mare parte a fazelor există o amestecare perfectă , adică concentrația speciilor prezente este omogenă în cea mai mare parte a fazelor.

Pot fi luate în considerare două situații teoretice:

schematizarea peliculei subțiri;
schematizarea semi-infinită.

Aceste schematizări sunt utilizate deoarece există descoperiri practice în faza de dimensionare a echipamentului. Filmul lichid poate fi luat ca referință, analizând comportamentele difuzive ale unei specii care merge de la faza gazoasă la cea lichidă în corespondență cu filmul lichid.

În film există doar difuzie și ne imaginăm că avem un gaz (gaz 1). Să luăm două exemple:

sistem natural: marea , suprafața de separare gaz-lichid este între atmosferă și apă; oxigenul aerului trece printr-un mecanism similar cu cel ilustrat de teoria celor două filme de a se absorbi în apă. Prin urmare, există un film lateral pentru atmosferă și un film lateral pentru mare.
Sistem proiectat: pat de nămol activ , microorganismele au nevoie de oxigen și îl introducem prin suflare, adică prin introducerea unor bule de aer de înaltă presiune care vin în contact cu lichidul. Suprafața externă a fiecărei bule de aer reprezintă interfața dintre faza gazoasă și cea lichidă, dacă neglijăm interiorul bulei de aer pentru a nu intra în prea multe detalii, cu siguranță există însă un film în afara bulei de aer și în ordine pentru a intra în lichid, oxigenul trebuie să călătorească prin acel spațiu și să călătorească prin el printr-un mecanism difuzional. În interiorul bulei de aer există azot și oxigen, dar microorganismele nu au nevoie de azot și îl neglijăm.

Exemplu: absorbția oxigenului în apă cu ipoteza filmului subțire

Pelicula subțire este o ipoteză de lucru care prezice comportamentul difuziv al gazului $la$ ${\ displaystyle a}$ $la$ (oxigenul de exemplu) apare în condiții staționare. Acest film este atât de mic încât condițiile de staționaritate sunt ușor atinse în ceea ce privește transportul materiei.

Pentru a putea descrie cantitativ mișcarea difuzivă a speciei $la$ ${\ displaystyle a}$ $la$ indicăm:

$C_{ai}$ ${\ displaystyle C_ {ai}}$ $C _ {{ai}}$ concentrația speciei $la$ ${\ displaystyle a}$ $la$ , partea lichidă, la interfață
$P_{ai}$ ${\ displaystyle P_ {ai}}$ $P _ {{ai}}$ presiune parțială pe partea de gaz.
${\bar {N}}_{A}$ ${\ displaystyle {\ bar {N}} _ {A}}$ ${\ bar N} _ {A}$ fluxul de materie al substanței dizolvate (numit componenta A ) prin interfața gaz-lichid mediat pe intervalul de timp care corespunde timpului de expunere
$\Delta c$ ${\ displaystyle \ Delta c}$ $\ Delta c$ diferența de concentrație a solutului între concentrație $C_{Ai}$ ${\ displaystyle C_ {Ai}}$ $C _ {{Ai}}$ la interfață și concentrare $C_{A0}$ ${\ displaystyle C_ {A0}}$ $C _ {{A0}}$ în cea mai mare parte a lichidului.
${\mathcal {D}}$ ${\ displaystyle {\ mathcal {D}}}$ ${\ mathcal {D}}$ difuzivitatea materiei
$t_{exp}$ ${\ displaystyle t_ {exp}}$ $t _ {{exp}}$ este „timpul de expunere”.

Concentraţie $C_{ai}$ ${\ displaystyle C_ {ai}}$ $C _ {{ai}}$ va fi în echilibru cu $P_{ai}$ ${\ displaystyle P_ {ai}}$ $P _ {{ai}}$

relația merită $C_{ai}=HP_{ai}$ ${\ displaystyle C_ {ai} = HP_ {ai}}$ $C _ {{ai}} = HP _ {{ai}}$ ( Legea lui Henry ) ^[4]

Suntem interesați să înțelegem modul în care oxigenul are concentrație din interfață $C_{a0}$ ${\ displaystyle C_ {a0}}$ $C _ {{a0}}$ se deplasează prin difuzie, adică este necesar să se identifice profilul concentrației de oxigen din film. Trebuie să exprimăm matematic modul în care oxigenul (gazul $la$ ${\ displaystyle a}$ $la$ ) se deplasează de la interfață către masa lichidă prin difuzie moleculară. Oxigenul se va mișca și concentrația acestuia va varia punct cu punct în film, deoarece partea omogenă nu a fost încă atinsă. Pentru a descrie cum se mișcă, identific un volum de control în care pot aplica instrumente pe care le cunosc pentru a descrie fenomenul într-un mod cantitativ. Concentrația de oxigen variază punct cu punct și trebuie realizat un echilibru material. Trebuie identificat un volum infinitesimal de grosime $d z$ ${\ displaystyle dz}$ $dz$ și o coordonată $z$ ${\ displaystyle z}$ $z$ , de-a lungul filmului, pe care are loc transportul difuzional și scrieți un bilanț material microscopic pe volumul infinitesimal.

Ecuația diferențială care guvernează fenomenul este dată de: ${\frac {\partial C_{a}}{\partial t}}={\mathcal {D}}{\frac {\partial ^{2}C_{a}}{\partial z^{2}}}$ ${\ displaystyle {\ frac {\ partial C_ {a}} {\ partial t}} = {\ mathcal {D}} {\ frac {\ partial ^ {2} C_ {a}} {\ partial z ^ {2 }}}}$ ${\ frac {\ partial C_ {a}} {\ partial t}} = {\ mathcal {D}} {\ frac {\ partial ^ {2} C_ {a}} {\ partial z ^ {2}}}$ Aceasta este evident o simplificare a legii lui Fick . Condițiile limită aferente sunt:

\left\{{\begin{aligned}&C_{A}=C_{A0}\ \ \ \ (t=0)\\&C_{A}=C_{Ai}\ \ \ \ (z=0)\\&C_{A}=C_{A0}\ \ \ \ (z\rightarrow \infty )\end{aligned}}\right.

{\ displaystyle \ left \ {{\ begin {align} & C_ {A} = C_ {A0} \ \ \ \ (t = 0) \\ & C_ {A} = C_ {Ai} \ \ \ \ (z = 0) \\ & C_ {A} = C_ {A0} \ \ \ \ (z \ rightarrow \ infty) \ end {align}} \ right.}

\ left \ {{\ begin {align} & C_ {A} = C _ {{A0}} \ \ \ \ (t = 0) \\ & C_ {A} = C _ {{Ai}} \ \ \ \ (z = 0) \\ & C_ {A} = C _ {{A0}} \ \ \ \ (z \ rightarrow \ infty) \ end {align}} \ right.

Spunem asta $C_{a0}$ ${\ displaystyle C_ {a0}}$ $C _ {{a0}}$ va fi valoarea concentrației speciei $la$ ${\ displaystyle a}$ $la$ care va fi constantă în cadrul masei fazei lichide pe baza ipotezei omogenității perfecte.

Rezolvând sistemul diferențial parțial dat de ecuația diferențială parțială reprezentată de legea a doua a lui Fick și de condițiile sale de limitare asociate, ajungem la determinarea fluxului instantaneu de materie pentru z = 0 (adică fluxul la interfața gazului -lichid):

N_{A}(t)=\Delta c\cdot {\sqrt {\frac {\mathcal {D}}{\pi t}}}

{\ displaystyle N_ {A} (t) = \ Delta c \ cdot {\ sqrt {\ frac {\ mathcal {D}} {\ pi t}}}}

N_ {A} (t) = \ Delta c \ cdot {\ sqrt {{\ frac {{\ mathcal {D}}} {\ pi t}}}}

În acest moment, este necesar să mediați de-a lungul intervalului de timp dintre t = 0 și t = t _exp pentru a obține fluxul de materie mediat în timp:

{\bar {N}}_{A}={\frac {\int _{0}^{t_{exp}}N_{A}(t)dt}{t_{exp}}}=\Delta c\cdot {\sqrt {\frac {4{\mathcal {D}}}{\pi t_{exp}}}}

{\ displaystyle {\ bar {N}} _ {A} = {\ frac {\ int _ {0} ^ {t_ {exp}} N_ {A} (t) dt} {t_ {exp}}} = \ Delta c \ cdot {\ sqrt {\ frac {4 {\ mathcal {D}}} {\ pi t_ {exp}}}}}

{\ bar N} _ {A} = {\ frac {\ int _ {0} ^ {{t _ {{exp}}}} N_ {A} (t) dt} {t _ {{exp}}} } = \ Delta c \ cdot {\ sqrt {{\ frac {4 {\ mathcal {D}}} {\ pi t _ {{exp}}}}}}

Notă

^ Conceptul de funcționalizare este deseori exploatat în domeniul nanotehnologiei .
^ Adsorbția are loc pe o suprafață solidă, în timp ce absorbția este un termen mai generic, indicând un fenomen care apare la interfața dintre două faze. Vorbim și despre absorbție dacă absorbția nu implică doar suprafața unei singure faze.
^ Masa fazelor care nu este influențată de fenomenele care apar la suprafață se numește vrac .
^ Legea lui Henry este scrisă în raport cu unitățile de măsură ale constantei H.

Elemente conexe

Portalul chimiei

Portalul de fizică

[1] Conceptul de funcționalizare este deseori exploatat în domeniul nanotehnologiei .

[2] Adsorbția are loc pe o suprafață solidă, în timp ce absorbția este un termen mai generic, indicând un fenomen care apare la interfața dintre două faze. Vorbim și despre absorbție dacă absorbția nu implică doar suprafața unei singure faze.

[3] Masa fazelor care nu este influențată de fenomenele care apar la suprafață se numește vrac .

[4] Legea lui Henry este scrisă în raport cu unitățile de măsură ale constantei H.

[1]

[2]

[3]

[4]