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Danse moléculaire : comment l’adsorption se produit-elle silencieusement dans la nature ?
L'adsorption est le processus par lequel les atomes, les ions ou les molécules d'une substance dans un gaz, un liquide ou un solide dissous adhèrent à une surface. Ce processus forme un film mince appelé adsorbat sur la surface de l’adsorbant. L'adsorption est différente de l'absorption, dans laquelle un liquide (absorbant) est dissous ou pénétré dans un liquide ou un solide (absorbant). L'adsorption est un phénomène de surface et se distingue clairement de l'absorption.
Le fonctionnement de nombreux systèmes naturels et artificiels dépend des effets subtils des phénomènes d’adsorption, notamment l’adsorption des polluants de l’air et la purification de l’eau.
Le processus d'adsorption peut être divisé en adsorption physique (physisorption) et adsorption chimique (chimisorption). L'adsorption physique est principalement causée par de faibles forces de van der Waals, tandis que l'adsorption chimique implique une forte liaison covalente. Ce processus peut également se produire en raison de l’attraction électrostatique. La nature de l’adsorption peut affecter la structure de l’adsorbat ; par exemple, l’adsorption physique d’un polymère à partir d’une solution peut entraîner une structure écrasée sur la surface. Ce procédé existe non seulement dans la nature, mais est également largement utilisé dans l’industrie, comme les catalyseurs hybrides, le charbon actif, les refroidisseurs à adsorption et la purification de l’eau.
Dans l’industrie pharmaceutique, l’adsorption est également utilisée pour prolonger l’exposition du système nerveux à des médicaments spécifiques, ce qui est une application moins connue.
Isotherme d'adsorption
L'adsorption des gaz et des solutés est généralement décrite par des isothermes, c'est-à-dire la relation entre la quantité d'adsorbat sur l'adsorbant et sa pression (pour les gaz) ou sa concentration (pour les solutés liquides) à température constante. Quinze modèles d’isothermes différents ont été développés jusqu’à présent, l’un des premiers étant celui proposé par Freundlich en 1906.
Modèle Freundlich
L'isotherme de Freundlich est basée sur une formule empirique impliquant la masse de l'adsorbant, la masse de l'adsorbat et sa pression, qui décrit succinctement les changements dans le processus d'adsorption. Bien que cette formule ne puisse pas décrire de manière totalement précise l'isotherme dans certaines conditions, elle marque une étape importante dans la recherche sur l'adsorption.
Modèle Langmore
En 1918, Langmuir avait développé un modèle isotherme semi-empirique basé sur la thermodynamique statistique, qui avait un large éventail d’applications. L’hypothèse clé de ce modèle est que tous les sites d’adsorption sont équivalents et qu’un site ne peut accueillir qu’une seule molécule. Bien que ces hypothèses ne soient pas nécessairement vraies dans la réalité, le modèle de Langmuir reste le choix préféré pour la plupart des modèles d’adsorption.
Le mécanisme d'adsorption de Langmuir montre que les molécules de gaz peuvent former un équilibre avec les sites d'adsorption et s'adsorber et se désorber à des constantes de vitesse spécifiques.
Modèle BET
Au fil du temps, les scientifiques ont découvert que les molécules adsorbées ne se trouvent souvent pas sur une seule couche, mais peuvent former plusieurs couches. En 1938, Bruner, Emmett et Taylor ont introduit la théorie BET pour expliquer ce phénomène. Cette théorie modifie le mécanisme de Langmuir, peut analyser le processus d'adsorption multicouche et fournir un modèle mathématique plus précis.
Propriétés thermodynamiques de l'adsorption
La constante d'adsorption est une constante d'équilibre et suit donc l'équation de van't Hoff. Cette équation montre la relation entre la chaleur d'adsorption (ΔH) et la constante d'équilibre d'adsorption (K), révélant ainsi les caractéristiques thermodynamiques du processus d'adsorption. De cette manière, les scientifiques ont pu acquérir une compréhension plus approfondie des mécanismes d’adsorption et de leurs effets sur le système.
À mesure que nous approfondissons le phénomène d’adsorption, nous commençons à réaliser son importance dans un large éventail de processus naturels et artificiels.
L'adsorption joue un rôle indispensable dans les écosystèmes, les processus industriels et la vie quotidienne. Lorsque nous pensons aux applications technologiques de ce phénomène et à son impact sur l'environnement, nous ne pouvons nous empêcher de nous demander : comment l'adsorption peut-elle créer davantage de possibilités entre le développement de nouvelles technologies et le maintien de l'équilibre écologique ?
