научная статья по теме АДСОРБЦИЯ НА ТВЕРДОЙ ПОВЕРХНОСТИ С УЧЕТОМ ЕЕ КОНЕЧНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ Химия

Текст научной статьи на тему «АДСОРБЦИЯ НА ТВЕРДОЙ ПОВЕРХНОСТИ С УЧЕТОМ ЕЕ КОНЕЧНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ»

ФИЗИКОХИМИЯ ПОВЕРХНОСТИ И ЗАЩИТА МАТЕРИАЛОВ, 2013, том 49, № 3, с. 239-246

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ НА МЕЖФАЗНЫХ ГРАНИЦАХ

УДК 541.13

АДСОРБЦИЯ НА ТВЕРДОЙ ПОВЕРХНОСТИ С УЧЕТОМ ЕЕ КОНЕЧНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ

© 2013 г. Э. М. Подгаецкий

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт прикладной механики Российской академии наук 119991, Москва, Ленинский просп., 32а Е-таИ: Podgaetsky@mail.ru Поступила в редакцию 22.11.2012 г.

Предложенная ранее термодинамическая теория равновесной однокомпонентной адсорбции из жидкости на твердой поверхности, несущей электрический заряд, с учетом ее малой деформации расширяется на область конечных деформаций. В рамках модели двух параллельных конденсаторов строения поверхностного слоя для частного вида функциональной зависимости поверхностной концентрации адсорбата от независимых переменных термодинамического состояния получено точное решение уравнений совместности и выведено соответствующее уравнение изотермы адсорбции и выражение плотности электрического заряда поверхности.

Б01: 10.7868/80044185613030121

ВВЕДЕНИЕ

В [1—7] была предложена термодинамическая теория тонкого межфазного слоя на границе твердого тела с жидкостью, содержащей адсорбирующийся компонент. Учитывается деформация твердой поверхности и наличие на ней электрического заряда. Выведенные в [1—5] уравнения изотермы однокомпонентной адсорбции для некоторых моделей поверхностного слоя предполагают малые величины деформации поверхности

^ ^ «-«о (П

— площадь межфазной поверхности, — ее значение до деформации). Задача восстановления неизвестных значений параметров теории основана в [2—4] на использовании в качестве краевых условий емкостных кривых в случае металлической поверхности, но для деформированной поверхности электрода. Такие данные в литературе чрезвычайно редки, а имеющиеся в [8] выполнены для значений д, уже не являющихся малыми. Таким образом, возникает потребность решения исходных уравнений теории [1—5], хотя и в ограниченной области моделирования, но допуская не малые значения д.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ

Рассмотрим тонкий межфазный слой на границе твердая поверхность/жидкий однокомпо-нентный раствор адсорбата с такими же термодинамическими свойствами как и в [4]. Воспользуемся дифференциальной формой термодинамического

потенциала Гиббса Ф в частном его случае T = const, P = const (Т — абсолютная температура слоя, P — давление в нем) [4]

dФ = -q^dф - Ndц a + стrdD.. (1)

Здесь N — число частиц адсорбата в межфазном слое, — его электрохимический потенциал, q2 — полный заряд твердой поверхности, ф — электрический потенциал твердой фазы, ст r — поверхностное натяжение твердой фазы (удельная работа образования граничной поверхности). Величины N, q2, fi и связаны с поверхностной концентрацией адсорбата Г, удельной плотностью электрического заряда поверхности q, ее деформацией & и объемной концентрацией c определяющими соотношениями

Г =

N

(2)

О

q2 = qQ (3)

Q = Q0(1 + 3), (4)

И a = И 0 + RT 1п С (5)

где R — универсальная газовая постоянная, ц0 =

= const.

N

Трактовка величины — в (2) как поверхностной

концентрации предполагает преобладающее сосредоточение частиц адсорбата вблизи твердой поверхности, т.е. в адсорбционном слое. Равенство (5) соответствует условию термодинамиче-

ского равновесия поверхностного слоя с объемной фазой адсорбата в идеальном растворе.

Условиями существования функции Ф и ее полного дифференциала, представленного в (1), с учетом (2)—(5) являются равенства [9]:

дст , дер

да ,

дП

ЯТ д 1п с

дИ дО.

а + (1 + 9)^-

дд_

Г + (1 + 3) —

. д3

дер

(6)

(7)

(8)

dд , = -

- ЯТ

а+(1+

Г + (1 + 9)

59.

9)^

59]

d 1п с

d ёр -

+ 5659

(9)

d9.

равенствами = — =

= 0.

с г г ер

с =—, г = —, ф = -*-,

с* г* ф* аф*

(10)

а г = ■

ЯТГ _

а =

ЯТ Г

Переходя в (9) к переменным Г, ф, 9 с учетом (10) и (12), получим

( ^

da , =

Б ^

/

dф + Бс ^Г-5Г

Бс ^+5^+у в д^-| 9,

59 59

5Г/

где

ЯТ д 1п с

Из (6)—(7) получим выражение полного дифференциала функции ст, в переменных с, ёр, 9 (полное уравнение электрокапиллярности или уравнение Гиббса с учетом деформации поверхности 9)

у _ дГ(с, ф, 9) П д9 , Бс = Г + (1 + 9) у в,

- а + а + (у.|+||.

(13)

(14)

(15)

(16)

Из (13) можно вывести линейные выражения

ды ды ды да,

производных —, —, — через производные —-,

5Г дф д9 5Г

да, да, дф ' д9

ды _ б-1 д<зг

дг _ с дг ,

В (9) условие малых 9 при выводе коэффициентов разложения при дифференциалах dер, d 1п с, д9 не используется в отличие от [1—5].

Переход в (9) к случаю жидкого адсорбента, т.е. адсорбирующей поверхности, осуществляется

да = 5Ё = дЁ- = 1

59 59 59 Введем теперь безразмерные переменные с, Г, ф, а,

ды

да,

= б;1 |е с + дф ^ дф

^ = -б;1у в ^.

59 с 5Г

(17)

(18)

(19)

Подставляя равенства (17)—(19) в (12), получим полный дифференциал дм в переменных Г, ф, 9

dw = Б-11 Е с + да I dф +

дФ,

+ Б-1 д^-dГ-Y ЭБ-1— d 9. с 5Г с 5Г

Учитывая физический смысл функции м>, выражаемый равенством (5а), будем считать выполненными условия существования полного дифференциала функции м>, представленного дифференциальной формой (20), т.е равенство смешанных вторых производных функции м [9]

I да,

(20)

где с^, Г.,., ^ — масштабные параметры, выбираемые произвольно в каждой модели поверхностного слоя.

Уравнение изотермы адсорбции будем конструировать, как и в [1—5], с помощью функции м(Г, ф, 9) из условия

се" = 1, (11)

которое задает зависимость с от Г, ф, 9 в явном виде, а зависимость Г от с, ф, 9 как неявную в общем случае функцию. Из уравнения (11) следует, что оно является формой записи равенства (5), а линейно выражается через м

И а = Ио + ЯТ 1п с* - ЯТы. (5а)

Из (11) с учетом (10) найдем

d 1пс = ^ = ф-дwdГ -дwd9. (12) 5ф 5Г 59

А

дГ

А

59

б:1 [е с + 5а

Б,

Б-1 да^

. дГ

А

у Б-1 & /в с зг.

дГ

А

59

дф У зБ-1

-1 да, дГ

даг дГ

Б-1\ъ с + ^ 5ф

(21)

(22)

(23)

Уравнения (21)—(23) являются обобщением аналогичных уравнений в [1—4] на случай произвольных значений 9 и будем использовать такое же их наименование — уравнения совместности. В Приложении I выводится равенство

Б-1\ъ с + -

да

дг.

(24)

Подставляя (24) в (21)—(23), получим уравнения совместности при произвольных д в другой форме

где

д q = дНС

дГ2 дф ,

= -А (Y н )

= дГ^^

А (у н ) = ,

5ф а ' дГдЗ

нс = d- ^.

с с дГ

(25)

(26) (27)

(27a)

A = — > 0,

dr

Г> 0,

(30)

d2q

дг2

= 0,

(32)

что соответствует модели двух параллельных конденсаторов [11], а функцию уа будем предполагать от д не зависящей и с разделяющимися аргументами Г, ф

В Приложении II получено представление произведения y$Hc в переменных Г, ф, Э

Y Нс =

-Y з { № Ф) ф], ф)

А'[Г [х(Г, Ф) -0, ф]| (34)

А [Г [х(Г, Ф) -0, ф]

где х = х(Г, ф) и Г = Г(х, ф) — взаимнообратные функции, связанные уравнением (82) в Приложении II.

Введем теперь дополнительное ограничение на функцию /(Г) в (33)

Уравнения совместности в форме (25)—(27) с учетом обозначения (27а) обобщают аналогичные уравнения в [3—5], выведенные при малых д.

Равенства (21)—(24) или (25)—(27) позволяют представить функцию w, определяемую дифференциальной формой (20), в виде интеграла [9]

ф г 3

" = ^0 + \+ \(Н)з=0 йГ - |(узНс)ф=ф0йЪ,(28)

ф 0 г0 ф=ф0 0

где ф0, Г0 — постоянные произвольные значения, соответственно, переменных ф, Г, а константа определяется условием

^0 = - 1п С0 = - 1п (С 3=0 )Ф=Ф0 . (28а)

Г=Г0

Введем уравнение изотермы адсорбции на не-деформированной поверхности при ф = ф0 в виде

Бс\ь = 0 = А(Г), (29)

ф = ф0

где константа В > 0, а функция ^(Г) удовлетворяет условиям

f (Г) = АЛ.

Jy' А'(Г)

(35)

Из равенства (34) с учетом (33) и (35) найдем простое представление функции Нс

Нс = -Уз(Т,ф)уs{Г[х(Г,ф)-0,ф],ф} х

А'{Г[х(Г,ф)-0,ф]} __А'(Г) (36)

А {Г [х(Г, ф) -0, ф]) А(Г) Из (27) и (88) из Приложения II также имеем:

Н = -

ду з 1 1 д 2q

(37)

дф) 5Г53

Чтобы функция Нс согласно (88) была независима от ф, оба представления Нс в (36) и (37) должны удовлетворять равенству:

дНС

дф

= 0.

(38)

Выражение (36), очевидно, ему удовлетворяет. Выполнение же условия (38) для функции Нс из (37) приводит к равенству

дЪд дЬ д2д д2уа = 0 (39)

дГдЗдф дф дГдЗ дф2 ' Подставляя уа из (33) с учетом (35) в (39), получим

А(0) = 0, А'(0) = const > 0. (31)

Условия (31) соответствуют изотермам, имеющим участок Генри при малых Г, а условие (30) обеспечивает однофазность адсорбционного слоя на не-деформированной поверхности, т.е. единственность решения уравнения (29) относительно Г при заданном значении с [10].

Примем теперь ограничение на модель поверхностного слоя в виде

dg д 3q d2g д 2q

= 0.

(40)

йф5Г535ф йф2дГдЗ Приравнивая теперь два представления Нс в (36) и (37), придем с учетом (33) и (35) к равенству

= ^ . (41)

агдз йф

Нетрудно убедиться, что равенство (40) с учетом (41) удовлетворяется тождественно. Так как правая часть уравнения (41) не зависит от & и Г, общим его решением относительно функции q с учетом (32) является

dg

(42)

Y s = Y s(T, Ф) = f (Шф).

(33)

q = 6 0(ф, 3) + б1(Ф)Г^ЗГ, dф

где неизвестные функции е0, s1, g находятся из краевых условий.

Для вывода уравнения изотермы адсорбции из (11) и (28) выразим три интегральные слагаемые в (28) с учетом представлений функций q, Н\ з=о ,

(YH)m=m в (42), (36), (34) и равенства (35)

ф=фо

1ф=фо ф

J^dф = Jб1(ф)^ф + 9[я(ф) - g(9o)], (43)

|(Нс)9=о dГ = -1А dГ = - 1п А(Г) + 1п А(Го), (44)

г ф=фо г А

1 о 1 о

3 3

|(У з Нс Э = -^(ф о)19. (45)

о о

Полагая в (29) Г = Г0, найдем выражение величины м0, определяемой равенством (28а)

w0 = lnB - ln А(Г0). Учитывая (43)—(46), из (28) имеем

(46)

w = ln B +

J 81(фМф - ln А(Г) + %(ф). (47)

фо

Bc exp

J б1(фМф + 9#(ф)

.фо

= А(Г).

(48)

Bc exp I ЦТ dф

> + 9

1фо

f ^ dф + щ A

J дг о a

|_фо

= А(Г), (49)

а неиз-

ф=фо

ыо(Г) = [y з(Г, ф, 9)|3=о]ф=

:Фо

(50)

Уравнения (48) и (49) совпадут, если с учетом (50), (33), (35) и следствия из равенства (42)

dqi _ д дГ дГ

dq

_д9 з=о _

(51)

положить в (49) u0 согласно определению (50) с учетом (33)

А(Г)

Ыо =

[у о(Г, ф)|^ ]= А^ Я(фо).

(52)

dq{)

Производна

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком