સપાટી રસાયણ એવી ઘટનાઓ સાથે વ્યવહાર કરે છે જે સપાટીઓ અથવા અંતરપૃષ્ઠો પર થાય છે. અંતરપૃષ્ઠ અથવા સપાટીને બલ્ક પદાર્થોને હાઇફન અથવા સ્લેશ દ્વારા અલગ કરીને દર્શાવવામાં આવે છે. ઉદાહરણ તરીકે, ઘન અને વાયુ વચ્ચેના અંતરપૃષ્ઠને ઘન-વાયુ અથવા ઘન/વાયુ દ્વારા દર્શાવી શકાય છે. સંપૂર્ણ મિશ્રણીયતાને કારણે, વાયુઓ વચ્ચે કોઈ અંતરપૃષ્ઠ હોતું નથી. સપાટી રસાયણમાં આપણે જે બલ્ક પદાર્થો જોઈએ છીએ તે શુદ્ધ સંયોજનો અથવા દ્રાવણો હોઈ શકે છે. અંતરપૃષ્ઠ સામાન્ય રીતે થોડા અણુઓ જેટલું જાડું હોય છે પરંતુ તેનું ક્ષેત્રફળ બલ્ક પદાર્થોના કણોના કદ પર આધારિત છે. ઘણી મહત્વપૂર્ણ ઘટનાઓ, જેમાં કાટ, ઇલેક્ટ્રોડ પ્રક્રિયાઓ, વિજાતીય ઉદ્દીપન, ઓગળવું અને સ્ફટિકીકરણ ધ્યાનપાત્ર છે, અંતરપૃષ્ઠો પર થાય છે. સપાટી રસાયણનો વિષય ઉદ્યોગ, વિશ્લેષણાત્મક કાર્ય અને દૈનિક જીવનની પરિસ્થિતિઓમાં ઘણી એપ્લિકેશનો ધરાવે છે.

સપાટી અભ્યાસોને સૂક્ષ્મ રીતે પાર પાડવા માટે, ખરેખર સ્વચ્છ સપાટી હોવી જરૂરી બને છે. $10^{-8}$ થી $10^{-9}$ પાસ્કલના ખૂબ ઊંચા વેક્યૂમ હેઠળ, હવે ધાતુઓની અતિ સ્વચ્છ સપાટી મેળવવી શક્ય છે. આવી સ્વચ્છ સપાટીઓ સાથેના ઘન પદાર્થોને વેક્યૂમમાં સંગ્રહિત કરવાની જરૂર છે નહિંતર તે હવાના મુખ્ય ઘટકો જેમ કે ડાયઑક્સિજન અને ડાયનાઇટ્રોજનના અણુઓ દ્વારા ઢંકાઈ જશે.

આ એકમમાં, તમે સપાટી રસાયણની કેટલીક મહત્વપૂર્ણ વિશેષતાઓ જેમ કે અધિશોષણ, ઉદ્દીપન અને કોલોઇડ્સ (ઇમલ્શન્સ અને જેલ્સ સહિત)નો અભ્યાસ કરશો.

5.1 અધિશોષણ

ઘણા ઉદાહરણો છે, જે દર્શાવે છે કે ઘન પદાર્થની સપાટી પાસે તેનો સંપર્કમાં આવતા પદાર્થના અણુઓને આકર્ષવા અને રોકવાની પ્રવૃત્તિ હોય છે. આ અણુઓ માત્ર સપાટી પર જ રહે છે અને બલ્કમાં ઊંડા જતા નથી. ઘન અથવા પ્રવાહીના બલ્ક કરતાં સપાટી પર આણ્વીય પ્રજાતિઓનો સંચય અધિશોષણ તરીકે ઓળખાય છે. આણ્વીય પ્રજાતિ અથવા પદાર્થ, જે સપાટી પર કેન્દ્રિત અથવા સંચિત થાય છે તેને અધિશોષિત કહેવાય છે અને જે પદાર્થની સપાટી પર અધિશોષણ થાય છે તેને અધિશોષક કહેવાય છે.

અધિશોષણ અનિવાર્યપણે એક સપાટી ઘટના છે. ઘન પદાર્થો, ખાસ કરીને સૂક્ષ્મ રીતે વિભાજિત અવસ્થામાં, મોટું સપાટી ક્ષેત્રફળ ધરાવે છે અને તેથી, ચારકોલ, સિલિકા જેલ, એલ્યુમિના જેલ, માટી, કોલોઇડ્સ, સૂક્ષ્મ રીતે વિભાજિત અવસ્થામાં ધાતુઓ, વગેરે સારા અધિશોષક તરીકે કાર્ય કરે છે.

ક્રિયામાં અધિશોષણ

(i) જો $\mathrm{O_2}, \mathrm{H_2}, \mathrm{CO}, \mathrm{Cl_2}, \mathrm{NH_3}$ અથવા $\mathrm{SO_2}$ જેવા વાયુને પાવડર ચારકોલ ધરાવતા બંધ પાત્રમાં લેવામાં આવે છે, તો તે જોવા મળે છે કે બંધ પાત્રમાં વાયુનું દબાણ ઘટે છે. વાયુના અણુઓ ચારકોલની સપાટી પર કેન્દ્રિત થાય છે, એટલે કે, વાયુઓ સપાટી પર અધિશોષિત થાય છે.

(ii) કાર્બનિક રંગકના દ્રાવણમાં, ઉદાહરણ તરીકે મિથાઇલીન બ્લુ, જ્યારે પ્રાણી ચારકોલ ઉમેરવામાં આવે છે અને દ્રાવણને સારી રીતે હલાવવામાં આવે છે, તો તે જોવા મળે છે કે ફિલ્ટ્રેટ રંગહીન થઈ જાય છે. આમ, રંગકના અણુઓ ચારકોલની સપાટી પર સંચિત થાય છે, એટલે કે, અધિશોષિત થાય છે.

(iii) કાચા ખાંડનું જલીય દ્રાવણ, જ્યારે પ્રાણી ચારકોલના પથારીઓ પરથી પસાર થાય છે, ત્યારે રંગહીન બને છે કારણ કે રંગક પદાર્થો ચારકોલ દ્વારા અધિશોષિત થાય છે.

(iv) સિલિકા જેલની હાજરીમાં હવા શુષ્ક બને છે કારણ કે પાણીના અણુઓ જેલની સપાટી પર અધિશોષિત થાય છે.

ઉપરોક્ત ઉદાહરણો પરથી તે સ્પષ્ટ છે કે ઘન સપાટીઓ અધિશોષણના ગુણથી વાયુ અથવા પ્રવાહી અણુઓને પકડી શકે છે. જે સપાટી પર તે અધિશોષિત થયેલ છે તે પરથી અધિશોષિત પદાર્થને દૂર કરવાની પ્રક્રિયાને વિઅધિશોષણ કહેવામાં આવે છે.

5.1.1 અધિશોષણ અને શોષણ વચ્ચેનો તફાવત

અધિશોષણમાં, પદાર્થ માત્ર સપાટી પર જ કેન્દ્રિત થાય છે અને સપાટીમાંથી અધિશોષકના બલ્કમાં પ્રવેશતો નથી, જ્યારે શોષણમાં, પદાર્થ ઘનના બલ્કમાં સમાન રીતે વિતરિત થાય છે. ઉદાહરણ તરીકે, જ્યારે ચોકની લાકડીને શાહીમાં ડુબાડવામાં આવે છે, ત્યારે રંગીન અણુઓના અધિશોષણને કારણે સપાટી શાહીનો રંગ રાખે છે જ્યારે શાહીનો દ્રાવક શોષણને કારણે લાકડીમાં ઊંડો જાય છે. ચોકની લાકડીને તોડતા, તે અંદરથી સફેદ જોવા મળે છે. પાણીની વરાળનું ઉદાહરણ લઈને અધિશોષણ અને શોષણ વચ્ચે તફાવત કરી શકાય છે. પાણીની વરાળ નિર્જળ કેલ્શિયમ ક્લોરાઇડ દ્વારા શોષિત થાય છે પરંતુ સિલિકા જેલ દ્વારા અધિશોષિત થાય છે. બીજા શબ્દોમાં, અધિશોષણમાં અધિશોષિતની સાંદ્રતા માત્ર અધિશોષકની સપાટી પર જ વધે છે, જ્યારે શોષણમાં સાંદ્રતા ઘનના સમગ્ર બલ્કમાં સમાન હોય છે.

અધિશોષણ અને શોષણ બંને એકસાથે પણ થઈ શકે છે. બંને પ્રક્રિયાઓનું વર્ણન કરવા માટે શોષણ શબ્દનો ઉપયોગ થાય છે.

5.1.2 અધિશોષણની ક્રિયાવિધિ

અધિશોષણ એ હકીકતને કારણે ઉદ્ભવે છે કે અધિશોષકના સપાટીના કણો બલ્કની અંદરના કણો જેવા જ વાતાવરણમાં નથી. અધિશોષકની અંદર કણો વચ્ચે કાર્યરત બધા બળો પરસ્પર સંતુલિત હોય છે પરંતુ સપાટી પરના કણો તેમની જાતના અણુઓ અથવા અણુઓ દ્વારા બધી બાજુઓથી ઘેરાયેલા નથી, અને તેથી તેમની પાસે અસંતુલિત અથવા અવશિષ્ટ આકર્ષક બળો હોય છે. અધિશોષકના આ બળો તેની સપાટી પર અધિશોષિત કણોને આકર્ષવા માટે જવાબદાર છે. અધિશોષણની માત્રા આપેલ તાપમાન અને દબાણે અધિશોષકના એકમ દળ દીઠ સપાટી ક્ષેત્રફળમાં વધારો સાથે વધે છે.

અધિશોષણની વિશેષતા ધરાવતું બીજું મહત્વપૂર્ણ પરિબળ એ અધિશોષણની ઉષ્મા છે. અધિશોષણ દરમિયાન, સપાટીના અવશિષ્ટ બળોમાં હંમેશા ઘટાડો થાય છે, એટલે કે, સપાટી ઊર્જામાં ઘટાડો થાય છે જે ઉષ્મા તરીકે પ્રગટ થાય છે. તેથી, અધિશોષણ એક અનિવાર્યપણે ઉષ્માક્ષેપક પ્રક્રિયા છે. બીજા શબ્દોમાં, અધિશોષણનો $\Delta \mathrm{H}$ હંમેશા નકારાત્મક હોય છે. જ્યારે વાયુ અધિશોષિત થાય છે, ત્યારે તેના અણુઓની ગતિની સ્વતંત્રતા પ્રતિબંધિત થાય છે. આ અધિશોષણ પછી વાયુની એન્ટ્રોપીમાં ઘટાડો થવા જેટલું છે, એટલે કે, $\Delta \mathrm{S}$ નકારાત્મક છે. આમ, અધિશોષણ એન્થાલ્પીમાં ઘટાડો તેમજ સિસ્ટમની એન્ટ્રોપીમાં ઘટાડો સાથે સંકળાયેલું છે. કોઈ પ્રક્રિયા સ્વયંભૂ હોવા માટે, થર્મોડાયનેમિક આવશ્યકતા એ છે કે, સતત તાપમાન અને દબાણે, $\Delta \mathrm{G}$ નકારાત્મક હોવું જોઈએ, એટલે કે, ગિબ્સ ઊર્જામાં ઘટાડો થાય છે. સમીકરણ $\Delta \mathrm{G}=\Delta \mathrm{H}-\mathrm{T} \Delta \mathrm{S}$ના આધારે, $\Delta \mathrm{G}$ નકારાત્મક હોઈ શકે છે જો $\Delta \mathrm{H}$ પર્યાપ્ત રીતે ઊંચું નકારાત્મક મૂલ્ય ધરાવે કારણ કે $-\mathrm{T} \Delta \mathrm{S}$ ધન છે. આમ, અધિશોષણ પ્રક્રિયામાં, જે સ્વયંભૂ છે, આ બે પરિબળોનું સંયોજન $\Delta \mathrm{G}$ ને નકારાત્મક બનાવે છે. જેમ જેમ અધિશોષણ આગળ વધે છે, $\Delta \mathrm{H}$ ઓછું અને ઓછું નકારાત્મક બને છે અંતે $\Delta \mathrm{H}$ $\mathrm{T} \Delta \mathrm{S}$ જેટલું બને છે અને $\Delta \mathrm{G}$ શૂન્ય બને છે. આ સ્થિતિમાં સંતુલન પ્રાપ્ત થાય છે.

5.1.3 અધિશોષણના પ્રકાર

ઘન પદાર્થો પર વાયુઓના અધિશોષણ મુખ્યત્વે બે પ્રકારના હોય છે. જો ઘનની સપાટી પર વાયુનો સંચય નબળા વાન ડર વાલ્સ બળોના આધારે થાય છે, તો અધિશોષણને ભૌતિક અધિશોષણ અથવા ફિઝિસોર્પ્શન તરીકે ઓળખવામાં આવે છે. જ્યારે વાયુ અણુઓ અથવા પરમાણુઓ રાસાયણિક બંધથી ઘન સપાટી સાથે જોડાયેલા હોય છે, તો અધિશોષણને રાસાયણિક અધિશોષણ અથવા કેમિસોર્પ્શન તરીકે ઓળખવામાં આવે છે. રાસાયણિક બંધો સહસંયોજક અથવા આયનિક સ્વભાવના હોઈ શકે છે. કેમિસોર્પ્શનમાં સક્રિયકરણની ઊંચી ઊર્જા સમાવિષ્ટ હોય છે અને તેથી, ઘણીવાર સક્રિય અધિશોષણ તરીકે ઓળખવામાં આવે છે. કેટલીકવાર આ બે પ્રક્રિયાઓ એકસાથે થાય છે અને અધિશોષણનો પ્રકાર નક્કી કરવો સરળ નથી. નીચા તાપમાને ભૌતિક અધિશોષણ તાપમાન વધારવા સાથે કેમિસોર્પ્શનમાં પરિવર્તિત થઈ શકે છે. ઉદાહરણ તરીકે, ડાયહાઇડ્રોજન પ્રથમ વાન ડર વાલ્સ બળો દ્વારા નિકલ પર અધિશોષિત થાય છે. હાઇડ્રોજનના અણુઓ પછી વિભાજિત થઈ હાઇડ્રોજન પરમાણુઓ બનાવે છે જે કેમિસોર્પ્શન દ્વારા સપાટી પર રોકાયેલા હોય છે.

બંને પ્રકારના અધિશોષણની કેટલીક મહત્વપૂર્ણ લાક્ષણિકતાઓ નીચે વર્ણવેલ છે:

ફિઝિસોર્પ્શનની લાક્ષણિકતાઓ

(i) વિશિષ્ટતાનો અભાવ: અધિશોષકની આપેલ સપાટી કોઈ ચોક્કસ વાયુ માટે કોઈ પસંદગી દર્શાવતી નથી કારણ કે વાન ડર વાલ્સ બળો સાર્વત્રિક હોય છે.

(ii) અધિશોષિતનો સ્વભાવ: ઘન દ્વારા અધિશોષિત વાયુની માત્રા વાયુના સ્વભાવ પર આધારિત છે. સામાન્ય રીતે, સરળતાથી પ્રવાહી બની શકે તેવા વાયુઓ (એટલે કે, ઉચ્ચ ક્રાંતિક તાપમાન સાથે) સહેલાઈથી અધિશોષિત થાય છે કારણ કે ક્રાંતિક તાપમાનની નજીક વાન ડર વાલ્સ બળો મજબૂત હોય છે. આમ, સક્રિય ચારકોલનું $1 \mathrm{~g}$ મિથેન (ક્રાંતિક તાપમાન 190K) કરતાં સલ્ફર ડાયઑક્સાઇડ (ક્રાંતિક તાપમાન 630K) વધુ અધિશોષે છે, જે હજુ પણ ડાયહાઇડ્રોજનના $4.5 \mathrm{~mL}$ (ક્રાંતિક તાપમાન $33 \mathrm{~K}$) કરતાં વધુ છે.

(iii) વિપરીત સ્વભાવ: ઘન દ્વારા વાયુનું ભૌતિક અધિશોષણ સામાન્ય રીતે વિપરીત હોય છે. આમ,

$$ \text { Solid }+ \text { Gas } \rightleftharpoons \text { Gas } / \text { Solid }+ \text { Heat } $$

દબાણ વધારતા વધુ વાયુ અધિશોષિત થાય છે કારણ કે વાયુનું કદ ઘટે છે (લે-શાટેલિયરનો સિદ્ધાંત) અને દબાણ ઘટાડીને વાયુને દૂર કરી શકાય છે. કારણ કે અધિશોષણ પ્રક્રિયા ઉષ્માક્ષેપક છે, ભૌતિક અધિશોષણ નીચા તાપમાને સહેલાઈથી થાય છે અને તાપમાન વધારવા સાથે ઘટે છે (લે-શાટેલિયરનો સિદ્ધાંત).

(iv) અધિશોષકનું સપાટી ક્ષેત્રફળ: અધિશોષણની માત્રા અધિશોષકના સપાટી ક્ષેત્રફળમાં વધારો સાથે વધે છે. આમ, સૂક્ષ્મ રીતે વિભાજિત ધાતુઓ અને મોટા સપાટી ક્ષેત્રફળ ધરાવતા સચ્છિદ્ર પદાર્થો સારા અધિશોષકો છે.

(v) અધિશોષણની એન્થાલ્પી: શંકા નથી, ભૌતિક અધિશોષણ એક ઉષ્માક્ષેપક પ્રક્રિયા છે પરંતુ તેની અધિશોષણની એન્થાલ્પી ખૂબ ઓછી હોય છે (20–40 kJ mol-1). આ એટલા માટે કારણ કે વાયુ અણુઓ અને ઘન સપાટી વચ્ચેનું આકર્ષણ માત્ર નબળા વાન ડર વાલ્સ બળોને કારણે છે.

કેમિસોર્પ્શનની લાક્ષણિકતાઓ

(i) ઊંચી વિશિષ્ટતા: કેમિસોર્પ્શન ખૂબ જ વિશિષ્ટ હોય છે અને તે ત્યારે જ થશે જો અધિશોષક અને અધિશોષિત વચ્ચે કોઈ રાસાયણિક બંધનની સંભાવના હોય. ઉદાહરણ તરીકે, ઑક્સિજન ઑક્સાઇડ નિર્માણના ગુણથી ધાતુઓ પર અધિશોષિત થાય છે અને હાઇડ્રોજન હાઇડ્રાઇડ નિર્માણને કારણે સંક્રાંતિ ધાતુઓ દ્વારા અધિશોષિત થાય છે.

(ii) અવિપરીત સ્વભાવ: કેમિસોર્પ્શનમાં સંયોજન નિર્માણ સમાવિષ્ટ હોવાથી, તે સામાન્ય રીતે અવિપરીત સ્વભાવનું હોય છે. કેમિસોર્પ્શન પણ એક ઉષ્માક્ષેપક પ્રક્રિયા છે પરંતુ સક્રિયકરણની ઊંચી ઊર્જાને કારણે નીચા તાપમાને પ્રક્રિયા ખૂબ જ ધીમી હોય છે. મોટાભાગની રાસાયણિક ફેરફારોની જેમ, અધિશોષણ ઘણીવાર તાપમાન વધારવા સાથે વધે છે. નીચા તાપમાને અધિશોષિત થયેલ વાયુનું ફિઝિસોર્પ્શન ઊંચા તાપમાને કેમિસોર્પ્શનમાં બદલાઈ શકે છે. સામાન્ય રીતે ઊંચું દબાણ પણ કેમિસોર્પ્શન માટે અનુકૂળ હોય છે.

(iii) સપાટી ક્ષેત્રફળ: ભૌતિક અધિશોષણની જેમ, કેમિસોર્પ્શન પણ અધિશોષકના સપાટી ક્ષેત્રફળમાં વધારો સાથે વધે છે.

(iv) અધિશોષણની એન્થાલ્પી: કેમિસોર્પ્શનની એન્થાલ્પી ઊંચી હોય છે (80-240 kJ mol-1) કારણ કે તેમાં રાસાયણિક બંધ નિર્માણ સમાવિષ્ટ હોય છે.

5.1.4 અધિશોષણ આઇસોથર્મ

સતત તાપમાને દબાણ સાથે અધિશોષક દ્વારા અધિશોષિત વાયુની માત્રામાં ફેરફાર અધિશોષણ આઇસોથર્મ તરીકે ઓળખાતા વક્ર દ્વારા વ્યક્ત કરી શકાય છે.

ફ્રેન્ડલિચ અધિશોષણ આઇસોથર્મ: ફ્રેન્ડલિચે 1909માં, ચોક્કસ તાપમાને દબાણ પર ઘન અધિશોષકના એકમ દળ દ્વારા અધિશોષિત વાયુની માત્રા અને દબાણ વચ્ચે એક અનુભવજન્ય સંબંધ આપ્યો. સંબંધ નીચેના સમીકરણ દ્વારા વ્યક્ત કરી શકાય છે:

$$ \begin{equation*} \frac{x}{m}=k \cdot p^{1 / n}(n>1) \tag{5.1} \end{equation*} $$

જ્યાં x એ દબાણ P પર અધિશોષકના દળ m પર અધિશોષિત વાયુનું દળ છે, k અને n એ અચળાંકો છે જે ચોક્કસ તાપમાને અધિશોષક અને વાયુની પ્રકૃતિ પર આધારિત છે. સંબંધ સામાન્ય રીતે વક્રના સ્વરૂપમાં રજૂ કરવામાં આવે છે જ્યાં દબાણ (ફિગ. 5.1) વિરુદ્ધ અધિશોષકના ગ્રામ દીઠ અધિશોષિત વાયુનું દળ રચવામાં આવે છે. આ વક્રો દર્શાવે છે કે નિશ્ચિત દબાણે, તાપમાન વધારવા સાથે ભૌતિક અધિશોષણમાં ઘટાડો થાય છે. આ વક્રો હંમેશા ઊંચા દબાણે સંતૃપ્તિનો અંદાજ લેતા હોય તેવું લાગે છે. સમીકરણ (5.1)નો લઘુગણક લેતા

$$ \begin{equation*} \log \frac{x}{m}=\log k+\frac{1}{n} \log p \tag{5.2} \end{equation*} $$

ફ્રેન્ડલિચ આઇસોથર્મની માન્યતા $\log \frac{x}{m}$ ને $y$-અક્ષ (કોટિ) પર અને $\log p$ ને $\mathrm{x}$-અક્ષ (અનુક્રમ) પર રચીને ચકાસી શકાય છે. જો તે સીધી રેખા બને, તો ફ્રેન્ડલિચ આઇસોથર્મ માન્ય છે, નહિંતર નથી (ફિગ. 5.2). સીધી રેખાનો ઢ