吸水とは?
水分吸着 at surface は、材料科学、化学工学、さらには触媒作用においても重要です。表面水和としても知られる水の吸着は、物理的または化学的に水が固体の表面に吸着するときに発生します。さまざまなシステムで界面、化学反応経路、および触媒性能の特性を調節するために重要です。
物理的に吸着された水の場合、水分が完全に蒸発する圧力と温度で乾燥プロセス中に表面の水和が除去されることがよくあります。化学吸着水では、分子吸着による水和が起こります。
水と金属の相互作用と水分子の間の水素結合が、金属表面への水の吸着を支配します。
吸着の種類
物理吸着
物理吸着では、ファン デル ワールス力が吸着粒子を吸着剤表面に保持します。引力は弱いので、温度を上げるか圧力を下げることで簡単に克服できます。物理吸着は可逆的である可能性があります。
物理吸着特性
低い吸着エンタルピー
ファンデルワールス力は、吸着分子と吸着剤で弱いです。可逆性 物理吸着は可逆的であり、平衡に達するのが早いためです。したがって、
固体＋気体 ⇔ 気体/固体＋熱
圧力を上げる (または体積を下げる) と、平衡が前方にシフトし、吸着が増加します。したがって、圧力が高くなると、より多くのガスが吸着されます。圧力を下げると、ガスが除去されます。
気温の影響
ルシャトリエの原理によれば、物理吸着は低温で急速に起こり、温度が上昇すると減少します。
ガス分子は運動エネルギーを獲得し、温度が上昇するにつれて吸着剤表面を離れます。その結果、温度を上げると吸着が減少します。
具体性の欠如
本質的に非特異的です。したがって、すべての気体はすべての固体に均等に吸着します。ファンデルワールス力は普遍的であるため、吸着面は特定のガスを好みません。
吸着物の性質
ファンデルワールス力は臨界温度に近いため、ガスは容易に液化吸着します。
吸着状態
吸着物は、物理吸着ではバルクと同じ状態です。
化学吸着
吸着は、吸着分子が化学力または結合によって吸着剤の表面を保持するときに発生します。吸着された分子は表面の吸着剤と反応し、不可逆的な吸着が起こります。
化学吸着特性
吸着エンタルピー
吸着分子と吸着分子は強い化学結合を持っているため、吸着のモル熱は高くなります。
元に戻せない性質
化合物形成のため、化学吸着は不可逆的です。
気温の影響
化学吸着は、ある点までは温度とともに上昇し、その後減少します。高温では、物理吸着によって吸着されたガスが化学吸着になります。
高い選択性
化学吸着は、吸着分子と吸着剤表面との間の化学結合を伴うため、非常に選択的であり、化学吸着はガスと吸着剤の化学的性質に依存します。たとえば、金属は酸化物形成によって酸素を吸着し、遷移金属は水素化物形成によって水素を吸着します。
吸着種の状態
この形態の吸着は化学反応を伴うため、吸着された分子の状態はバルクの状態とは異なる場合があります。
有機金属フレームワークの水吸着
ただし、特定の有機金属フレームワーク (MOF) は、活性部位に水を吸着し、安定したままになる場合があります。不可逆的な構造変化はありません。米国エネルギー省の Advanced Photon Source は、構造的に変化しない有機金属フレームワークに対する水負荷効果の結晶学的証拠を明らかにしました。これらの物質を理解することは、産業および医療用途の向上に役立つ可能性があります。
マルチトピック有機リンカーと無機ノードを持つ材料は、MOF を形成します。 MOF 構造は、化学センシング、ガスの分離と貯蔵、触媒作用、薬物送達などのアプリケーションで調整可能です。この研究には、化学的安定性とゲスト-ホスト相互作用が必要です。
水と MOF の相互作用は、MOF の安定性と吸着特性を示しています。水の指向性結合傾向により、MOF ホストの水ゲストはさまざまな相互作用をする可能性があります。それらは、不可逆的な構造変化を引き起こすことなく、MOF 格子の結合を再配置します。
水の水素結合の方向性は、MOF フレームワーク内でゲストとホストの相互作用を引き起こし、安定性と吸収に影響を与えます。水の吸着は、MOF の特性に影響を与えます。水は活性部位を取り、ガスの貯蔵と分離中に吸着部位で共吸着します。
ジョージア工科大学、アムステルダム大学、シカゴ大学、アルゴンヌ国立研究所の研究者は、テレフタレート配位子にメチル基を持つ MOF フレームワークを作成しました。この MOF のメチル基により、安定性と低圧 CO2 親和性を維持しながら、膨大な量の水を吸着することができます。また、構造を変えずに水を放出することもあります。研究者は、水にさらされた構造と合成された MOF にどのように影響するかを確認するために、3 つの異なる結晶形での水の吸着を研究しました。
これには、結晶格子パラメータ、水座り、および水誘起欠陥に関するデータが含まれていました。彼らは、各条件における各格子の構造応答を決定しました。
水による結合の再配列などのゲスト-ホスト相互作用により、水の吸着により分子構造が変化します。これらの研究は、MOF の安定性の源を示しています。研究では、水のゲストは、単位セルの特性、振動スペクトル、微小ひずみ、および原子構造に動的な構造変化を引き起こしました。このように構造安定性を理解することは合理的ではないかもしれません.
この研究は、動的構造応答を理解するために安定したMOFの調査が必要であることを強調しており、この理解は安定したMOFの設計に役立つ可能性があります。研究者は、エネルギー障壁をよりよく理解するために、MOF フレームワーク内の水の調整を調査します。ただし、MOF のパフォーマンスと安定性に影響を与える多くの要因が強調されています。
吸収と吸着の違い
吸収
吸収とは、ある物質が別の物質に完全に入るプロセスです。 1 つの原子または分子が他のいくつかの分子に吸い込まれるプロセス。それは完全に物質の一部である必要があり、化学的または物理的なプロセスである可能性があります。例えば、二酸化炭素は炭酸カリウムの反応に吸収され、反応が起こるので化学吸収の場合です。
別の例は、水に空気を溶かすことです。空気が平衡圧力を介して水に入ると、それは身体吸収です。物質または供給物が液体またはガソリンを吸収すると、それは他の供給物を吸収します。したがって、単一の因子が物質の内部に衝突すると、吸収が発生します。
吸着
吸着とは、ガソリンや液体が吸収されるのではなく地面に形成される方法です。ビジネスでは、合成用途や浄水に吸着を使用しています。付着を伴い、物質が入らず、この経路で代替物質にぶら下がる。たとえば、CO2 は圧力スイング吸着剤ユニットの吸着剤地面に座ります。
結論
表面での水の吸着は、材料科学、化学工学、および触媒作用においてさまざまな用途があります。固体の表面に物理的または化学的に吸着された水の存在 (表面水和としても知られる) は、広範なシステムの化学反応経路、触媒性能、および界面特性に大きな影響を与えます。完全な気化を可能にする温度と圧力で乾燥させるだけで、物理的に吸着された水の場合、表面の水和がなくなります。解離吸着は、H2O 分子が表面吸着 OH- と H+ に解離する、または個々の水分子が無傷のままである分子吸着を介して、化学的に吸着された水の水和を引き起こす可能性があります。
