Powierzchnia właściwa

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacja, szukaj

Powierzchnia właściwa - (ang. specific surface area) - parametr skalarny wyrażający wielkość powierzchni substancji (ciała stałego) przypadającej na jego ilość. W zależności od tego jak rozumie się termin ilość substancji spotkać można rozmaite definicje powierzchni właściwej.

Definicje[edytuj | edytuj kod]

Najczęściej powierzchnię właściwą \; \sigma_m \; definiuje się jako wielkość powierzchni zewnętrznej substancji stałej \; S \; przypadającej na masę tej substancji \; m \;:

\; \sigma_m  \; \stackrel{\rm df}{=} \;  \frac{S}{m} \;

Tak zdefiniowana powierzchnia właściwa wyrażana jest w m2/kg lub m2/g.

Alternatywnie, powierzchnię właściwą \; \sigma_\mu \; definiuje się jako wielkość powierzchni zewnętrznej substancji stałej \; S \; przypadającej na ilość materii tej substancji wyrażonej w molach \; \mu \;:

\; \sigma_\mu  \; \stackrel{\rm df}{=} \;  \frac{S}{\mu} \;

Tak zdefiniowana powierzchnia właściwa wyrażana jest w m2/mol.

W hydrodynamice podziemnej powierzchnię właściwą \; \sigma_v \; ośrodka porowatego definiuje się jako wielkość powierzchni szkieletu ośrodka porowatego \; S \; przypadającej na całkowitą objętość tego ośrodka \; V \;:

\; \sigma_v  \; \stackrel{\rm df}{=} \;  \frac{S}{V} \;

Tak zdefiniowana powierzchnia właściwa wyrażana jest w m2/m3 lub po prostu w odwrotnościach metra.

Alternatywnie, w hydrodynamice podziemnej powierzchnię właściwą \; \sigma_s \; ośrodka porowatego definiuje się jako wielkość powierzchni szkieletu ośrodka porowatego \; S \; przypadającej na objętość tego szkieletu \; V_s \; :

\; \sigma_s  \; \stackrel{\rm df}{=} \;  \frac{S}{V_s} \;

Tak zdefiniowana powierzchnia właściwa wyrażana jest również w m2/m3 lub po prostu w odwrotnościach metra.

Własności i zastosowania[edytuj | edytuj kod]

W fizykochemii zjawisk powierzchniowych powierzchnia właściwa jest jedną z podstawowych miar właściwości adsorpcyjnych, szczególnie w odniesieniu do adsorbentów.

Ze względu na molekularną budowę materii oraz fraktalną naturę większości rzeczywistych ciał czy substancji stałych, nie jest to wielkość w pełni jednoznaczna - miara wielkości powierzchni zależy od sposobu jej pomiaru - najczęściej pomiaru polegającego na analizie izoterm adsorpcji. W przypadku rzeczywistych powierzchni ciał stałych i często skomplikowanej morfologii ich powierzchni (ściany krystaliczne, obszary amorficzne, krawędzie, pory: nano-, mikro-, mezo- i makropory, powierzchniowe grupy funkcyjne itp.), zasadniczą rolę będzie odgrywał wybór cząsteczki za pomocą której ten pomiar zostanie dokonany. Dla wybranej cząsteczki, która pełni funkcję "kwantu powierzchni właściwej", kluczowym parametrem jest jej tzw. powierzchnia siadania.

Dostępna pomiarowi powierzchni będzie maleć wraz ze wzrostem rozmiaru poprzecznego cząsteczek (brak możliwości wejścia cząsteczek do zbyt małych porów - efekt sitowy) czy też niedopasowania rozmiaru większych cząsteczek do porów (w porze zmieściłoby się 1,5 cząsteczki, ale jest to niemożliwe ...). Większe cząsteczki również oznaczają pominięcie powierzchni płytkich ale niewielkich nierówności powierzchni. Część powierzchni może być w pomiarze pomijana, ze względu na praktyczny brak adsorpcji wynikający ze specyfiki oddziaływań powierzchnia-adsorbat, np. słaba adsorpcja związków polarnych na niepolarnych adsorbentach (i odwrotnie).

Pojęcie powierzchni właściwej wykorzystywane jest również w hydrodynamice podziemnej zajmującej się przepływami płynów w ośrodkach porowatych i szczelinowych. Używa się tu jednak definicji odmiennej niż w fizykochemii zjawisk powierzchniowych. Powierzchnia właściwa występuje np. w formule Kozeny-Carmana wyrażającej związek przepuszczalności ośrodka porowatego z jego porowatością.

Pomiary powierzchni właściwej[edytuj | edytuj kod]

Najczęstszym sposobem pomiaru powierzchni jest - uznana za tzw. metodę standardową - analiza izoterm adsorpcji par azotu (pomiar w temperaturze 77–78 K, powierzchnia siadania cząsteczki azotu σ = 0,162 nm2) za pomocą liniowej formy równania izotermy BET (tzw. metoda BET). Czasami, przy pewnych założeniach i głównie dla celów porównawczych w przemyśle, na podstawie adsorpcji dla jednej wartości ciśnienia (najczęściej p/ps = 0,2) stosuje się tzw. jednopunktową metodę BET.

W niektórych przypadkach - np. dla izoterm, których dane nie są liniowe we współrzędnych równania BET (np. dla adsorbentów mikroporowatych) - stosuje się zamiast tego liniową formę izotermy Langmuira (tzw. metoda Langmuira) lub izotermy Dubinina-Raduszkiewicza.

Inne metody stosowane do pomiaru powierzchni właściwej adsorbentów to m.in. metoda t-plot oraz metoda alfa-s (metoda αs) - metody te służą przede wszystkim do analizy izoterm adsorpcji na porowatych ciałach stałych (zob. też metoda BJH).

Należy podkreślić, że opisane metody wyznaczania powierzchni są metodami o walorach głównie porównawczych i nie mają charakteru pomiaru bezwzględnego (zmierzona powierzchnia nie jest powierzchnią geometryczną a jest jedynie jej przybliżeniem). Do tej pory wyznaczanie powierzchni właściwej adsorbentów stanowi otwarty problem teorii i praktyki adsorpcji.

Literatura[edytuj | edytuj kod]

  • Bear J., (1972): Dynamics of Fluids in Porous Media, American Elsevier, New York.