Перейти до вмісту
Обране

Калькулятор ізотерми адсорбції Ленгмюра

Оновлено:

Обчисліть ступінь заповнення поверхні θ та адсорбовану кількість q за ізотермою Ленгмюра. Введіть рівноважну концентрацію або тиск, константу спорідненості KL і, за потреби, максимальну ємність qmax.

Оцінка покриття поверхні за концентрацією та афінністю

Поля введення
C
Рівноважна концентрація адсорбату в розчині або його парціальний тиск у разі адсорбції газу.
KL
Рівноважна константа KL = ka/kd. Її одиниця має бути оберненою до одиниці концентрації або тиску, вибраної вище (наприклад, L/mmol для mmol/L).
Якщо увімкнено, результат оновлюватиметься автоматично після зміни будь-якого значення.

Формула ізотерми адсорбції Ленгмюра

Формула
\[ \theta = \frac{K_L \, C}{1 + K_L \, C} \qquad q = q_{max} \cdot \theta = \frac{q_{max} \, K_L \, C}{1 + K_L \, C} \]

Де:

  • \(\theta\) — ступінь заповнення поверхні (безрозмірна величина, від 0 до 1)
  • \(K_L\) — константа спорідненості Ленгмюра \(= k_a / k_d\), з одиницями, оберненими до одиниць \(C\)
  • \(C\) — рівноважна концентрація (для газів — парціальний тиск) адсорбата
  • \(q_{max}\) — максимальна адсорбційна ємність, тобто кількість речовини в мономолекулярному шарі, коли зайнято всі центри
  • \(q\) — адсорбована кількість у стані рівноваги

Формула описує рівновагу між адсорбцією та десорбцією на поверхні з фіксованою кількістю однакових незалежних центрів: частка зайнятих центрів гіперболічно зростає з концентрацією і до одиниці (повний мономолекулярний шар) наближається лише асимптотично.

Ізотерма адсорбції Ленгмюра — приклад розрахунку

Приклад: адсорбент із ємністю мономолекулярного шару 100 мг/г досягає рівноваги в розчині з концентрацією адсорбата 0,3 ммоль/л, а константа спорідненості Ленгмюра дорівнює \(K_L = 5\) л/ммоль.

\[ K_L \, C = 5 \ \tfrac{\text{л}}{\text{ммоль}} \times 0.3 \ \tfrac{\text{ммоль}}{\text{л}} = 1.5 \]

\[ \theta = \frac{1.5}{1 + 1.5} = 0.6 \]

\[ q = q_{max} \cdot \theta = 100 \ \tfrac{\text{мг}}{\text{г}} \times 0.6 = 60 \ \tfrac{\text{мг}}{\text{г}} \]

Результат: θ = 0,6 (зайнято 60 % адсорбційних центрів), адсорбована кількість q = 60 мг/г, і ще 40 мг/г ємності залишилися невикористаними.

Як користуватися калькулятором

  1. Введіть рівноважну концентрацію/тиск (C) адсорбата та виберіть одиницю — молярну або масову концентрацію для розчинів або одиницю тиску (атм, кПа, бар, Па, мм рт. ст.) для газової адсорбції.
  2. Введіть константу спорідненості Ленгмюра (KL) і виберіть відповідну обернену одиницю (наприклад, до ммоль/л підходить л/ммоль, до атм — 1/атм). Одиниці \(K_L\) мають бути оберненими до одиниць \(C\).
  3. Якщо вам відома ємність мономолекулярного шару, залиште позначеним пункт «Я знаю максимальну адсорбційну ємність (qmax)» і введіть максимальну адсорбційну ємність (qmax) з її одиницею; інакше зніміть позначку — тоді буде обчислено лише ступінь заповнення θ.
  4. Зчитайте ступінь заповнення поверхні (θ) та адсорбовану кількість (q). У результатах також є таблиця заповнення за інших концентрацій і покроковий розрахунок.

Що таке ізотерма адсорбції Ленгмюра?

Ізотерма Ленгмюра, опублікована Ірвінгом Ленгмюром у 1918 році, — найпростіша кількісна модель рівноважної адсорбції. Вона описує поверхню, що складається з фіксованої кількості однакових незалежних центрів, кожен із яких може зв’язати щонайбільше одну молекулу. Адсорбція відбувається зі швидкістю \(k_a C (1-\theta)\) на вільних центрах, а десорбція — зі швидкістю \(k_d\,\theta\); у рівновазі ці швидкості однакові, звідки випливає \(K_L = k_a/k_d\) і гіперболічний вираз для заповнення \(\theta = K_L C/(1 + K_L C)\).

Параметр \(K_L\) характеризує спорідненість адсорбата до поверхні. Велике значення \(K_L\) означає міцне зв’язування: за \(C = 1/K_L\) (точка напівнасичення) уже зайнято половину центрів, а високе заповнення досягається за малих концентрацій. Ємність \(q_{max}\) відповідає повному заповненню мономолекулярного шару; до неї лише асимптотично наближаються, тому за скінченної концентрації поверхня ніколи не буває ідеально «заповненою».

Та сама математика описує криві насичення й в інших розділах хімії — ізотерма Ленгмюра формально тотожна рівнянню швидкості Міхаеліса–Ментен — і є основою, на якій побудовано багатошарові моделі, як-от метод визначення питома поверхня за БЕТ. На практиці \(K_L\) і \(q_{max}\) визначають апроксимацією виміряних рівноважних даних — нелінійною регресією або лінеаризованими графіками, наприклад залежністю \(C/q\) від \(C\), де нахил дорівнює \(1/q_{max}\), а відрізок на осі ординат — \(1/(K_L q_{max})\).

Припущення, обмеження та практичні поради

  • Мономолекулярна адсорбція: кожен центр утримує щонайбільше одну молекулу. Якщо відбувається багатошарова адсорбція або капілярна конденсація, модель Ленгмюра занижує сорбцію.
  • Однорідна поверхня: всі центри вважаються енергетично однаковими. Реальні сорбенти (активоване вугілля, глини, біоматеріали) часто гетерогенні, і для таких даних зазвичай краще підходять моделі Фрейндліха, Сіпса чи Тота.
  • Відсутність бічних взаємодій: адсорбовані молекули не впливають одна на одну; теплота адсорбції постійна і не залежить від ступеня заповнення.
  • Рівновага та ідеальна поведінка: система має досягти рівноваги, розчин має бути розбавленим, а гази за використаних тисків — поводитися як ідеальні.
  • Температурна залежність: \(K_L\) — це константа рівноваги, тому вона змінюється з температурою — для типової екзотермічної адсорбції зменшується зі зростанням температури. Завжди використовуйте значення \(K_L\), визначене за потрібної температури.
  • Узгодженість одиниць: оскільки добуток \(K_L C\) має бути безрозмірним, перед тим як довіритися будь-якому опублікованому значенню, перевірте, чи одиниці \(C\) і \(K_L\) є взаємно оберненими.

Швидка перевірка під час інтерпретації результатів: якщо \(K_L C \ll 1\), ви перебуваєте в лінійній області Генрі (\(\theta \approx K_L C\)), де заповнення зростає прямо пропорційно концентрації; якщо \(K_L C \gg 1\), поверхня майже насичена і подальше збільшення \(C\) ледь змінює \(q\). Завдяки таблиці заповнення в калькуляторі легко одразу побачити, в якому режимі ви перебуваєте.

Часті запитання

Як обчислити ізотерму Ленгмюра вручну?

Спочатку обчисліть безрозмірний добуток \(K_L C\). Потім поділіть його на суму одиниці та самого цього добутку: \(\theta = K_L C/(1 + K_L C)\). Наприклад, за \(K_L = 4\) л/ммоль і \(C = 0,25\) ммоль/л отримаємо \(K_L C = 1\), тобто \(\theta = 1/2 = 0,5\). Якщо потрібна адсорбована кількість, помножте θ на \(q_{max}\). Швидка перевірка: θ ніколи не перевищує 1, якою б не була концентрація.

Яке значення константи Ленгмюра KL вважати хорошим чи типовим?

Універсального «хорошого» значення не існує — \(K_L\) цілком залежить від пари адсорбат–адсорбент, розчинника чи газу та температури. Вона завжди має одиниці, обернені до одиниць C (наприклад, л/ммоль, л/мг або 1/атм). На практиці важливе відношення \(C\) до \(1/K_L\): якщо \(C\) значно менша за \(1/K_L\) — ви в лінійній області, якщо значно більша — поверхня майже насичена. Порівнюйте значення \(K_L\) лише для однієї системи та однієї температури.

Чому одиниці KL мають бути оберненими до одиниць C?

Тому що добуток \(K_L C\) має бути безрозмірним, інакше формула \(\theta = K_L C/(1 + K_L C)\) не має сенсу — до величини з одиницями не можна додати одиницю. Отже, якщо C вимірюється в ммоль/л, \(K_L\) має бути в л/ммоль; якщо C — це парціальний тиск в атм, \(K_L\) — у 1/атм. Значення, наведене в «л/мг», не можна безпосередньо зіставити зі значенням у «л/ммоль»; перед порівнянням уважно виконайте перерахунок за молярною масою.

Чим відрізняються ізотерми Ленгмюра і Фрейндліха?

Модель Ленгмюра припускає однорідну поверхню з однаковими незалежними центрами та скінченною ємністю мономолекулярного шару \(q_{max}\), тому за високих концентрацій сорбція насичується. Ізотерма Фрейндліха — емпіричний степеневий закон, \(q = K C^{1/n}\), без максимальної ємності; вона описує гетерогенні поверхні, але q в ній продовжує зростати зі збільшенням C. Якщо ваші дані за високих концентрацій виходять на плато, зазвичай краще підходить модель Ленгмюра (або гібридні моделі Сіпса/Тота); якщо насичення не настає, кращим вибором може бути ізотерма Фрейндліха.

Чи можна застосувати ізотерму Ленгмюра до тиску газу замість концентрації?

Так. Для газової адсорбції просто замініть C парціальним тиском адсорбата і виразьте \(K_L\) в обернених одиницях тиску (1/атм, 1/кПа тощо). За використаних тисків має виконуватися припущення про ідеальний газ. Зауважте, що цю «тискову» форму іноді записують із безрозмірною константою b, помноженою на опорний тиск, — математика залишається такою самою, щойно одиниці узгоджено.

Як знайти KL і qmax з експериментальних даних?

Виміряйте адсорбовану кількість q за кількох рівноважних концентрацій, а потім виконайте апроксимацію — нелінійною регресією (якій віддають перевагу, бо вона дає менше зміщення) або лінеаризацією: побудуйте графік \(C/q\) залежно від \(C\). Нахил цієї прямої дорівнює \(1/q_{max}\), а відрізок на осі ординат — \(1/(K_L q_{max})\), тож \(K_L = \text{відрізок}^{-1} \cdot \text{нахил}^{-1} \cdot \) … звідси \(K_L = \text{нахил}/\text{відрізок}\). Лінеаризовані апроксимації можуть викривлювати похибки, тому за можливості перевіряйте результат нелінійною апроксимацією.

Чому адсорбована кількість q ніколи точно не досягає qmax?

Тому що гіпербола Ленгмюра наближається до повного заповнення мономолекулярного шару лише асимптотично. За \(C = 1/K_L\) досягається 50 % від \(q_{max}\); за концентрації у десять разів більшої — близько 91 %; у сто разів більшої — близько 99 %. Отже, за жодної скінченної концентрації поверхня не буває ідеально «заповненою». Якщо виміряна сорбція перевищує \(q_{max}\) або продовжує зростати, імовірно, відбувається багатошарова адсорбція чи конденсація і потрібна інша модель (наприклад, БЕТ).

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *