Isoterma Langmuir dan Penjerapan Permukaan

Penjerapan berlaku apabila zarah melekat pada permukaan. Dalam model Langmuir, permukaan mempunyai bilangan tapak terhad dan setiap tapak hanya boleh dihuni satu adsorbat dalam bentuk asas.

Liputan meningkat dan kemudian menghampiri tepu

Bagi penjerapan mudah satu spesies daripada gas ideal pada suhu tetap, pecahan tapak yang diliputi ialah θ = KP/(1 + KP). Di sini θ ialah liputan permukaan, iaitu pecahan tapak yang dihuni dan bernilai antara 0 dengan 1, P ialah tekanan separa gas pada keseimbangan, dan K ialah pemalar keseimbangan penjerapan yang bergantung pada pasangan adsorbat dan permukaan serta suhu. Nilai K yang lebih besar bermaksud penjerapan yang lebih kuat.

Dua had mudah membantu. Apabila KP jauh lebih kecil daripada 1, penyebut hampir 1 dan θ ≈ KP, jadi liputan bertambah hampir linear dengan tekanan. Apabila KP jauh lebih besar daripada 1, θ → 1 dan permukaan hampir tepu, jadi menambah tekanan hanya menambah sedikit penjerapan. Contohnya, jika KP = 1, θ = 1/(1 + 1) = 0.50, iaitu separuh tapak dihuni. Jika KP = 9, θ = 9/(1 + 9) = 0.90, iaitu 90 peratus tapak dihuni. Untuk menaikkan liputan daripada 0.90 kepada 0.99 diperlukan KP = 99, iaitu sebelas kali ganda lebih besar.

Bentuk asas memerlukan permukaan ideal

Model Langmuir yang ideal mengandaikan bahawa permukaan mempunyai bilangan tapak tetap yang setara, setiap tapak boleh menghuni paling banyak satu molekul adsorbat, hanya satu lapisan (monolapis) terbentuk, dan tiada interaksi sisi antara adsorbat bersebelahan, jadi tenaga penjerapan tidak berubah hanya kerana tapak bersebelahan telah terisi. Penjerapan dan penyahjerapan dianggap berada dalam keseimbangan.

Bagaimana persamaan ini diterbitkan?

Model ini boleh diterbitkan daripada keseimbangan dinamik. Kadar penjerapan ke tapak kosong berkadar dengan P(1 − θ), manakala kadar penyahjerapan berkadar dengan θ. Pada keseimbangan kedua-dua kadar sama, dan K ialah nisbah pemalar kadar penjerapan kepada pemalar kadar penyahjerapan. Daripada keseimbangan ini diperoleh θ = KP/(1 + KP).

Padanan matematik bukan bukti tunggal mekanisme

Permukaan sebenar boleh mempunyai tapak dengan tenaga berbeza, interaksi antara adsorbat, liang rumit atau penjerapan berbilang lapisan. Oleh itu, padanan kepada persamaan Langmuir tidak dengan sendiri membuktikan semua andaian mikroskopiknya benar.

Keadaan yang sesuai untuk penggunaan model ini

Persamaan Langmuir berguna sebagai penghampiran pertama bagi penjerapan pada permukaan mangkin, karbon aktif dan sensor gas, terutama pada liputan rendah hingga sederhana. Apabila data menyimpang daripada lengkung ini, itu petanda bahawa tapak tidak setara, wujud interaksi antara adsorbat atau penjerapan berbilang lapisan.

Sejarah ringkas

Irving Langmuir, ahli kimia Amerika, menerbitkan model penjerapan monolapis pada 1918 berdasarkan kajian tentang penjerapan gas pada permukaan seperti kaca, mika dan platinum. Beliau menerima Hadiah Nobel Kimia 1932 atas penemuan dan kajiannya dalam kimia permukaan.

Bagaimana kita mengetahui hal ini?