Le phénomène d'adsorption physique
Préambule : ne pas confondre adsorption physique et adsorption chimique ou encore absorption !
Le terme d'adsorption a été proposé par Kayser au début du 20ème siècle pour désigner une absorption qui ne se fait qu'en surface du solide, sans pénétration. L'adsorption physique se fait par des forces d'interactions physiques. Elle se produit sans modification de la structure moléculaire et est parfaitement réversible. Dans le cas de l'adsorption chimique, il y a réaction chimique entre l'adsorbant et l'adsorbat. L'énergie mise en jeu est alors une énergie de liaison et le processus est alors beaucoup moins réversible, voire souvent irréversible. Le phénomène d'absorption est parfois répertorié sous le terme de sorption.
Exemple : Exemple d'adsorption physique
Des adsorbeurs comme le silicagel peuvent adsorber l'humidité ambiante pour assécher une atmosphère :
Le voilà sec, juste sorti de l'étuve...
et après quelques heures dans les conditions ambiantes :
L'adsorption physique concerne l'adsorption d'une vapeur se déposant sur une surface et qui peut se liquéfier dans des conditions de pression où elle ne devrait pas normalement, soit si l'on n'avait pas de « champ d'adsorption » au voisinage du solide.
L'adsorption physique est le résultat d'interactions adsorbat/adsorbant
L'adsorption physique est le résultat d'interactions physiques non-spécifiques comme les forces de dispersion de London qui suscitent des interactions entre dipôles instantanés au sein de molécules non polaires, et d'interactions spécifiques comme les forces coulombiennes qui suscitent des interactions entre ions ou entre ions et dipôles. L'importance des unes ou des autres est fonction du couple adsorbat (molécule qui s'adsorbe)/adsorbant (surface d'adsorption). Pour plus d'informations sur les forces d'interactions moléculaires, on peut se reporter à l'ouvrage de Israelachvili [Israelachvili, 91][7].
Exemple : Exemple d'importance relative des types d'interactions.
Type adsorbant | Adsorbat A Symétrie sphérique | Adsorbat B Concentration électronique locale | Adsorbat C Concentration charge positive locale |
|---|---|---|---|
\(\ce{Ar}\) | \(\ce{N2}\) | \(\ce{CO2}\) | |
I surfaces neutres | ns | ns | ns |
II charges positives locales | ns | ns + s | ns + s |
III charges négatives locales | ns | ns + s | ns + s |
L'adsorption est un processus spontané
D'un point du vue thermodynamique, l'adsorption physique est un processus spontané qui entraîne le passage du système (adsorbat+adsorbant) à un état plus stable : la variation d'enthalpie libre du système est négative. De manière globale, l'adsorbant n'est pas fondamentalement modifié par l'adsorption et sa variation d'entropie est négligeable tandis que l'adsorbat se structure à la surface du solide et sa variation d'entropie est négative. De plus, l'adsorption est un phénomène exothermique : la variation d'enthalpie du système est négative. Cette enthalpie est généralement décomposée selon deux termes : un terme de sorption (adsorption ou désorption suivant l'opération étudiée) des molécules d'adsorbat sur la surface solide et un terme de condensation de ces mêmes molécules après adsorption ( ou évaporation à la désorption) :
\(\begin{array}{ccccc}\Delta H_{\textrm{adsorbat+adsorbant}}&<&0 & \Leftrightarrow &\textrm{Phénomène exothermique}\\\Delta H_{\rm adsorption} &=& \Delta H_{\textrm{condensation}} + \Delta H_{\textrm{sorption}}& &\\\Delta H_{\textrm{désorption}} &=& \Delta H_{\textrm{évaporation}} + \Delta H_{\textrm{sorption}}& &\\\end{array}\)
Exemple : Ordre de grandeurs des enthalpies pour de l'azote sur du Fer divisé.
\(\begin{array}{ccc}\Delta H_{\rm condensation}&=&{-5680}{\, \rm kJ/mol}\\\Delta H_{\rm adsorption} &=& {-8360}{\, \rm kJ/mol}\\\Delta H_{\rm chimisorption} &=& {-14630}{\, \rm kJ/mol}\\\end{array}\)
Exemple : Isotherme de désorption et ΔH de désorption pour de l'eau adsorbée sur une boue de station d'épuration.
L'adsorption peut se dérouler en différentes étapes
Si l'adsorption de l'adsorbat se fait sur un solide à la fois finement divisé et ayant une porosité interne, elle se décompose suivant différentes étapes schématisées ci-après :
