흡착과 젖음현상

목차

(1) 흡착현상
1. 고체 표면에 대한 기체 분자의 흡착
2. 흡착에너지
3. 흡착량
4. 물리흡착과 화학흡착
5. 흡착을 통한 표면적 측정
6. 흡착 현상의 정량적 표현
7. 흡착 등온식의 종류와 특징
8. 흡착 등온선

(2) 젖음현상
1. 젖음

본문내용

BET식은 다분자층 흡착을 가정하고 있기에 물리흡착에도 적용할 수 있으며, 상대압력이 0.05~ 0.3인 범위에서 상관성이 우수한 직선이 얻어진다. 그러나 상대압력이 0.2보다 높아지면 직선관계가 성립하지 않는 경우도 많다. 표면적이 아주 큰 시료에서는 상대압력이 아주 낮을 때만 직선이 얻어져 이식으로 계산한 표면적 값의 신뢰도가 낮다.
등온흡착곡선
등온흡착식
적용범위
Langmuir
Freundlich
Henry
Sips
Brumauer-Emm
ett-Teller(BET)
Dubinin-Polanyi
rm V ~= {V_m~ b~c}over{1+b~c}
V = Kp1/n, (n>1)
V =Kp
rm V ~={V_m~b~c^{1/n}}over{1+b~c^{1/n}}
rm P over {V(P_o - P)} = 1 over {V_m C} + { C-1} over {V_m C}( P over P_o )
rm lnW= lnW_o + K( E over )^2
rm E = RT ~ln ( P_o over P )
화학 및 물리흡착
화학 및 물리흡착
화학 및 물리흡착
화학 및 물리흡착
다중 물리흡착
화학 및 물리흡착
8. 흡착 등온선
흡착 등온선은 흡착계에 따라 다음 그림에서처럼 모양이 다르다. 가로축은 흡착되는 기체의 압력 P를 이 온도에서 포화 증기압 P
`_{ 0 }
로 나눈 상태 값이다. P/P
`_{ 0 }
가 1이면 액화가 시작 되므로, 상대압력으로 나타내면 흡착이 일어날 수 있는 압력 범위를 한 그림에 나타낼 수 있다. 그림 Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅴ 은 흡착과정과 탈착과정의 흡착등온선이 일치하나 Ⅳ형은 서로 일치하지 않는다. 흡착은 평형 상태에서 정의되므로 흡착과정이나 탈착과정에서 얻어지는 흡착 등온선이 같아야 한다. 그러나 흡착과 탈착과정의 흡착 등온선이 서로 달라서 미쳤다는 뜻으로 히스테리시스라고 부른다. 아래 그림은 대표적인 다섯 가지 흡착등온선이다.
Ⅰ(Langmuir) Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ
<대표적인 다섯가지 흡착등온선>
Henry Langmuir Freundlich BET 계단형
흡착등온식과 그 이름
Ⅰ형 흡착등온선은 랭미어형으로 구분된다.
Ⅱ형 흡착등온선은 세공이 없는 촉매나 흡착제에서 흔히 나타난다. 기체의 압력이 높아지면 흡착량이 계속 많아지지만, 증가 정도는 압력의 범위에 따라 다르다. 흡착되는 물질이 고체 표면을 한 층으로 덮어 버리는 변곡점 보다 압력이 높아지면 다분자층 흡착이 일어난다. 첫 번째 흡착층에 비해 흡착세기가 약해서 압력에 따른 흡착량의 증가 정도가 완만하다. 그러나 포화 증기압에 가까워지면 액화가 시작되어 흡착량이 급격히 많아진다.
압력이 낮을 때에는 잘 흡착되지 않으나 포화 증기압에 가까워지면서 흡착량이 급격히 많아지는 흡착계 에서는 제Ⅲ형 흡착 등온선이 얻어진다. 활성탄에 물이 흡착될 때처럼 표면이 흡착하는 물질로 젖지 않는 흡착계에서 일어난다. 물은 활성탄의 구성원소인 탄소와 상호작용이 약해서 압력이 낮을 때에는 흡착량이 매우 적다. 그러나 물은 활성탄에 조금 들어있는 산화칼륨이나 산화칼슘 등 알카리와 알카리토금속류의 금속 산화물의 표면에 잘 흡착한다. 이들 극성 물질의 표면 농도는 매우 낮으므로 낮은 압력에서는 흡착량이 매우 작다. 그러나 압력이 높아지면 흡착된 물 분자위에 다시 물 분자가 흡착하여, 물로 점유된 표면이 많아지면서 흡착량이 급격히 증가한다.
또 세공의 벽에만 흡착하지 않고 액체처럼 응축되어 있는 세공을 체우는 모세관응축현상으로 인해 제Ⅳ형 흡착 등온선이 얻어진다. 기체 압력을 높여가면서 측정한 흡착 등온선과 기체 압력을 낮추어 가면서 얻은 흡착 등온선이 일치하지 않는 히스테리시스 현상은, 세공에 응축된 액체의 매니스커스 모양이 흡착될 때와 탈착될 때 다르기 때문이다.
히스테리시스 현상을 잉크병이론으로 설명하기도 한다. 잉크병은 넘어지지 않도록 밑바닥을 넓게 만들어서, 입구와 밑바닥의 단면적이 크게 다르다. 세공이 잉크병처럼 생겼다면, 흡착될때는 밑에서부터 흡착되므로 흡착과정에서 생겨난 매니스커스의 반지름은 매우 크다. 반면에 포화 흡착된 후 입구에서부터 탈착 될 때에는 메니스커스의 반지름이 작다. 탈착과정에서 메니스커스의 반지름이 흡착과정에 비해 작기 때문에 흡착과정보다 압력이 더 낮아져야 탈착이 된다. 즉 세공내의 응축된 물질의 매니스커스 모양과 반지름이 달라지면 이와 평형을 이룬 응축된 물질의 평형 증기압 역시 달라지므로 히스테리시스 현상이 발생한다.
(촉매의 첫걸음 - 전남대학교 촉매 연구소편, 전남대학교 출판부,
김영철, 김종호, 김진환, 박남국, 서곤, 선우창신, 송요순, 신재순, 유의연
⑵ 젖음현상
1.젖음
최 외층의 원자의 인력에 의해서 외부의 물질을 잡아당기는 에너지를 표면에너지(surface energy)한다. 이는 액체의 젖음을 촉진 시키므로 접착과 관련하여 접착의 구동력으로 작용한다. 표면의 자유에너지가 증가하여서 표면적을 최소화 시키려는 힘을 표면 장력(surface tension)이라고 하는데 이에 관련해서 고체위에 액체를 떨어트렸을 때 액체가 퍼지는 정도를 젖음(wetting 즉, 고체면 위에 액체의 흡착현상- 따라서 흡착과 관련)라고 하며, 고체 표면과 액체 분자간의 상호작용에 의해서 잘 퍼지고 부착의 흡착정도를 젖음성(wettability)이라 한다.
젖음을 평가하는 기준은 접촉각(wetting angle)이 있다. 접촉각 가 크면 젖음성은 낮고 이는 액체의 표면장력이 높고, 고체의 표면 에너지가 낮음을 설명한다. 완전한 젖음이 되었다 함은 전체의 자유에너지가 최소임을 뜻하고, 고체 평면의 표면 에너지가 최대이며 액체의 표면 장력은 최소임을 뜻한다.
젖음성은 부착력(액체-고체)과 응집력(액체-액체; 표면장력)의 상호경쟁을 통하여 이루어진다. 다시 말해 액체분자간의 응집력이 고체와 액체사이의 부착력보다 강하면 이는 젖음현상이 낮은 것을 의미하며 액체간의 응집력보다 고체와 액체간의 부착력이 강하다면 이는 젖음성이 뛰어난 것이다.
(응용물리화학 - 녹문당, 이재원 외저)
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