ఉపరితల రసాయన శాస్త్రం ఉపరితలాలు లేదా అంతర్ఫలకాల వద్ద సంభవించే దృగ్విషయాలను పరిశీలిస్తుంది. అంతర్ఫలకం లేదా ఉపరితలాన్ని బల్క్ దశలను హైఫన్ లేదా స్లాష్ తో వేరు చేసి సూచిస్తారు. ఉదాహరణకు, ఒక ఘన పదార్థం మరియు వాయువు మధ్య అంతర్ఫలకాన్ని సాలిడ్-గ్యాస్ లేదా సాలిడ్/గ్యాస్ గా సూచించవచ్చు. పూర్తి మిశ్రమీకరణ కారణంగా, వాయువుల మధ్య ఎటువంటి అంతర్ఫలకం ఉండదు. ఉపరితల రసాయన శాస్త్రంలో మనం ఎదుర్కొనే బల్క్ దశలు శుద్ధ సమ్మేళనాలు లేదా ద్రావణాలు కావచ్చు. అంతర్ఫలకం సాధారణంగా కొన్ని అణువుల మందం ఉంటుంది కానీ దాని వైశాల్యం బల్క్ దశల కణాల పరిమాణంపై ఆధారపడి ఉంటుంది. అనేక ముఖ్యమైన దృగ్విషయాలు, వీటిలో గుర్తించదగినవి క్షయం, ఎలక్ట్రోడ్ ప్రక్రియలు, విజాతీయ ఉత్ప్రేరకం, ద్రావణం మరియు స్ఫటికీకరణ అంతర్ఫలకాల వద్ద సంభవిస్తాయి. ఉపరితల రసాయన శాస్త్రం యొక్క విషయం పరిశ్రమ, విశ్లేషణాత్మక పని మరియు రోజువారీ జీవిత పరిస్థితులలో అనేక అనువర్తనాలను కనుగొంటుంది.

ఉపరితల అధ్యయనాలను సూక్ష్మంగా నిర్వహించడానికి, నిజంగా శుభ్రమైన ఉపరితలం కలిగి ఉండటం చాలా అవసరం. $10^{-8}$ నుండి $10^{-9}$ పాస్కల్ క్రమం యొక్క చాలా ఎక్కువ వాక్యూమ్ కింద, ఇప్పుడు లోహాల అతి శుభ్రమైన ఉపరితలాన్ని పొందడం సాధ్యమవుతుంది. అటువంటి శుభ్రమైన ఉపరితలాలతో ఘన పదార్థాలు వాక్యూమ్లో నిల్వ చేయబడాలి లేకపోతే అవి గాలి యొక్క ప్రధాన భాగాలు అయిన డైఆక్సిజన్ మరియు డైనైట్రోజన్ అణువులతో కప్పబడతాయి.

ఈ యూనిట్లో, మీరు ఉపరితల రసాయన శాస్త్రం యొక్క కొన్ని ముఖ్యమైన లక్షణాలను అధ్యయనం చేస్తారు, అవి శోషణ, ఉత్ప్రేరకం మరియు ఎమల్షన్లు మరియు జెల్లతో సహా కొలాయిడ్లు.

5.1 శోషణ

ఒక ఘన పదార్థం యొక్క ఉపరితలం దానితో సంపర్కం లోకి వచ్చే దశ యొక్క అణువులను ఆకర్షించి నిలుపుకునే ప్రవృత్తిని కలిగి ఉందని బహుళ ఉదాహరణలు వెల్లడిస్తున్నాయి. ఈ అణువులు ఉపరితలంపై మాత్రమే ఉంటాయి మరియు బల్క్ లోపలికి లోతుగా వెళ్ళవు. ఘన లేదా ద్రవం యొక్క బల్క్ లో కాకుండా ఉపరితలంపై అణుప్రజాతుల సంచయనాన్ని శోషణ అంటారు. ఉపరితలంపై కేంద్రీకృతమవుతుంది లేదా సంచితమయ్యే అణుప్రజాతి లేదా పదార్థాన్ని శోషితం అని మరియు శోషణ జరిగే ఉపరితలంపై ఉన్న పదార్థాన్ని శోషకం అని అంటారు.

శోషణ తప్పనిసరిగా ఒక ఉపరితల దృగ్విషయం. ఘన పదార్థాలు, ముఖ్యంగా సూక్ష్మంగా విభజించబడిన స్థితిలో, పెద్ద ఉపరితల వైశాల్యాన్ని కలిగి ఉంటాయి మరియు అందువల్ల, బొగ్గు పొడి, సిలికా జెల్, అల్యూమినా జెల్, మట్టి, కొలాయిడ్లు, సూక్ష్మంగా విభజించబడిన స్థితిలో లోహాలు మొదలైనవి మంచి శోషకాలుగా పనిచేస్తాయి.

చర్యలో శోషణ

(i) $\mathrm{O_2}, \mathrm{H_2}, \mathrm{CO}, \mathrm{Cl_2}, \mathrm{NH_3}$ లేదా $\mathrm{SO_2}$ వంటి వాయువు బొగ్గు పొడిని కలిగి ఉన్న మూసివేయబడిన పాత్రలో తీసుకుంటే, మూసివేయబడిన పాత్రలో వాయువు యొక్క పీడనం తగ్గుతుందని గమనించబడుతుంది. వాయు అణువులు బొగ్గు యొక్క ఉపరితలంపై కేంద్రీకృతమవుతాయి, అనగా వాయువులు ఉపరితలంపై శోషించబడతాయి.

(ii) ఒక కర్బన రంజకం యొక్క ద్రావణంలో, మిథైలీన్ బ్లూ అని చెప్పండి, జంతు బొగ్గు జోడించబడినప్పుడు మరియు ద్రావణం బాగా కదిలించబడినప్పుడు, వడపోత రంగులేనిదిగా మారుతుందని గమనించబడుతుంది. అందువల్ల, రంజకం యొక్క అణువులు బొగ్గు ఉపరితలంపై సంచితమవుతాయి, అనగా శోషించబడతాయి.

(iii) ముడి చక్కెర యొక్క జలద్రావణం, జంతు బొగ్గు పరుపులపైగా పంపబడినప్పుడు, రంగు పదార్థాలు బొగ్గు ద్వారా శోషించబడటం వలన రంగులేనిదిగా మారుతుంది.

(iv) సిలికా జెల్ సమక్షంలో గాలి పొడిగా మారుతుంది ఎందుకంటే నీటి అణువులు జెల్ యొక్క ఉపరితలంపై శోషించబడతాయి.

పై ఉదాహరణల నుండి స్పష్టంగా ఉంది, ఘన ఉపరితలాలు శోషణ ద్వారా వాయు లేదా ద్రవ అణువులను పట్టుకోగలవు. ఒక ఉపరితలం నుండి దానిపై శోషించబడిన పదార్థాన్ని తొలగించే ప్రక్రియను విశోషణ అంటారు.

5.1.1 శోషణ మరియు అవశోషణ మధ్య వ్యత్యాసం

శోషణలో, పదార్థం ఉపరితలంపై మాత్రమే కేంద్రీకృతమవుతుంది మరియు ఉపరితలం ద్వారా శోషకం యొక్క బల్క్ లోకి చొచ్చుకోవడం జరగదు, అయితే అవశోషణలో, పదార్థం ఘన పదార్థం యొక్క బల్క్ అంతటా సమానంగా పంపిణీ చేయబడుతుంది. ఉదాహరణకు, ఒక సుద్ద బల్లి సిరాలో ముంచినప్పుడు, రంగు అణువుల శోషణ కారణంగా ఉపరితలం సిరా రంగును నిలుపుకుంటుంది, అయితే సిరా యొక్క ద్రావకం అవశోషణ కారణంగా బల్లి లోపలికి లోతుగా వెళుతుంది. సుద్ద బల్లిని విరిగినప్పుడు, అది లోపల నుండి తెల్లగా ఉందని కనుగొనబడింది. నీటి ఆవిరి యొక్క ఉదాహరణను తీసుకోవడం ద్వారా అవశోషణ మరియు శోషణ మధ్య వ్యత్యాసాన్ని చేయవచ్చు. నీటి ఆవిరి నిర్జల కాల్షియం క్లోరైడ్ ద్వారా అవశోషించబడుతుంది కానీ సిలికా జెల్ ద్వారా శోషించబడుతుంది. మరో మాటలో చెప్పాలంటే, శోషణలో శోషితం యొక్క సాంద్రత శోషకం యొక్క ఉపరితలంపై మాత్రమే పెరుగుతుంది, అయితే అవశోషణలో సాంద్రత ఘన పదార్థం యొక్క బల్క్ అంతటా సమానంగా ఉంటుంది.

శోషణ మరియు అవశోషణ రెండూ ఏకకాలంలో కూడా జరగవచ్చు. రెండు ప్రక్రియలను వివరించడానికి సార్బ్షన్ అనే పదం ఉపయోగించబడుతుంది.

5.1.2 శోషణ యొక్క యాంత్రికం

శోషకం యొక్క ఉపరితల కణాలు బల్క్ లోపలి కణాల వలె అదే పరిసరాలలో లేవు అనే వాస్తవం నుండి శోషణ ఉద్భవిస్తుంది. శోషకం లోపల కణాల మధ్య పనిచేసే అన్ని బలాలు పరస్పరం సమతుల్యం చేయబడతాయి కానీ ఉపరితలంపై కణాలు అన్ని వైపులా వాటి రకం యొక్క అణువులు లేదా అణువులతో చుట్టుముట్టబడవు, మరియు అందువల్ల అవి సమతుల్యం కాని లేదా అవశేష ఆకర్షణ బలాలను కలిగి ఉంటాయి. శోషకం యొక్క ఈ బలాలు దాని ఉపరితలంపై శోషిత కణాలను ఆకర్షించడానికి బాధ్యత వహిస్తాయి. శోషణ యొక్క మేర ఇచ్చిన ఉష్ణోగ్రత మరియు పీడనం వద్ద ప్రతి యూనిట్ ద్రవ్యరాశి శోషకం యొక్క ఉపరితల వైశాల్యం పెరుగుదలతో పెరుగుతుంది.

శోషణను లక్షణీకరించే మరొక ముఖ్యమైన కారకం శోషణ యొక్క ఉష్ణం. శోషణ సమయంలో, ఉపరితలం యొక్క అవశేష బలాలలో ఎల్లప్పుడూ తగ్గుదల ఉంటుంది, అనగా ఉపరితల శక్తిలో తగ్గుదల ఉంటుంది, ఇది ఉష్ణంగా కనిపిస్తుంది. అందువల్ల, శోషణ ఎల్లప్పుడూ ఉష్ణమోచక ప్రక్రియ. మరో మాటలో చెప్పాలంటే, శోషణ యొక్క $\Delta \mathrm{H}$ ఎల్లప్పుడూ ఋణాత్మకంగా ఉంటుంది. ఒక వాయువు శోషించబడినప్పుడు, దాని అణువుల చలన స్వేచ్ఛ పరిమితమవుతుంది. ఇది శోషణ తర్వాత వాయువు యొక్క ఎంట్రోపీలో తగ్గుదలకు సమానం, అనగా $\Delta \mathrm{S}$ ఋణాత్మకంగా ఉంటుంది. అందువల్ల శోషణ వ్యవస్థ యొక్క ఎంథాల్పీ తగ్గుదలతో పాటు ఎంట్రోపీ తగ్గుదలతో కూడి ఉంటుంది. ఒక ప్రక్రియ స్వయంస్ఫూర్తిగా ఉండటానికి, ఉష్ణగతిక అవసరం ఏమిటంటే, స్థిరమైన ఉష్ణోగ్రత మరియు పీడనం వద్ద, $\Delta \mathrm{G}$ ఋణాత్మకంగా ఉండాలి, అనగా గిబ్స్ శక్తిలో తగ్గుదల ఉండాలి. సమీకరణం ఆధారంగా, $\Delta \mathrm{G}=\Delta \mathrm{H}-\mathrm{T} \Delta \mathrm{S}$, $\Delta \mathrm{G}$ ఋణాత్మకంగా ఉండవచ్చు ఒకవేళ $\Delta \mathrm{H}$ తగినంత ఎక్కువ ఋణాత్మక విలువను కలిగి ఉంటే, ఎందుకంటే $-\mathrm{T} \Delta \mathrm{S}$ ధనాత్మకంగా ఉంటుంది. అందువల్ల, స్వయంస్ఫూర్తిగా ఉండే శోషణ ప్రక్రియలో, ఈ రెండు కారకాల కలయిక $\Delta \mathrm{G}$ ను ఋణాత్మకంగా చేస్తుంది. శోషణ ముందుకు సాగేకొద్దీ, $\Delta \mathrm{H}$ తక్కువ మరియు తక్కువ ఋణాత్మకంగా మారుతుంది చివరికి $\Delta \mathrm{H}$ $\mathrm{T} \Delta \mathrm{S}$ కు సమానమవుతుంది మరియు $\Delta \mathrm{G}$ సున్నాకి చేరుకుంటుంది. ఈ స్థితిలో సమతౌల్యం సాధించబడుతుంది.

5.1.3 శోషణ రకాలు

ఘన పదార్థాలపై వాయువుల శోషణకు ప్రధానంగా రెండు రకాలు ఉన్నాయి. బలహీన వాన్ డెర్ వాల్స్ బలాల కారణంగా ఒక ఘన పదార్థం యొక్క ఉపరితలంపై వాయువు సంచయనం జరిగితే, ఆ శోషణను భౌతిక శోషణ లేదా ఫైసిసార్ప్షన్ అంటారు. వాయు అణువులు లేదా పరమాణువులు రసాయన బంధాల ద్వారా ఘన ఉపరితలానికి బంధించబడినప్పుడు, ఆ శోషణను రసాయన శోషణ లేదా కెమిసార్ప్షన్ అంటారు. రసాయన బంధాలు స్వభావంలో సమయోజనీయ లేదా అయానిక రకానికి చెందినవి కావచ్చు. కెమిసార్ప్షన్ క్రియాశీలక శక్తి యొక్క ఎక్కువ శక్తిని కలిగి ఉంటుంది మరియు అందువల్ల, తరచుగా క్రియాశీలక శోషణగా సూచించబడుతుంది. కొన్నిసార్లు ఈ రెండు ప్రక్రియలు ఏకకాలంలో జరుగుతాయి మరియు శోషణ రకాన్ని నిర్ధారించడం సులభం కాదు. తక్కువ ఉష్ణోగ్రత వద్ద భౌతిక శోషణ, ఉష్ణోగ్రత పెరిగేకొద్దీ కెమిసార్ప్షన్గా మారవచ్చు. ఉదాహరణకు, డైహైడ్రోజన్ మొదట వాన్ డెర్ వాల్స్ బలాల ద్వారా నికెల్పై శోషించబడుతుంది. హైడ్రోజన్ అణువులు తర్వాత విడిపోయి హైడ్రోజన్ పరమాణువులను ఏర్పరుస్తాయి, అవి కెమిసార్ప్షన్ ద్వారా ఉపరితలంపై నిలుపబడతాయి.

రెండు రకాల శోషణ యొక్క కొన్ని ముఖ్యమైన లక్షణాలు క్రింద వివరించబడ్డాయి:

ఫైసిసార్ప్షన్ యొక్క లక్షణాలు

(i) నిర్దిష్టత లేకపోవడం: ఒక శోషకం యొక్క ఇచ్చిన ఉపరితలం ఒక నిర్దిష్ట వాయువు కోసం ఎటువంటి ప్రాధాన్యతను చూపదు ఎందుకంటే వాన్ డెర్ వాల్స్ బలాలు సార్వత్రికమైనవి.

(ii) శోషితం యొక్క స్వభావం: ఒక ఘన పదార్థం ద్వారా శోషించబడిన వాయువు మొత్తం వాయువు యొక్క స్వభావంపై ఆధారపడి ఉంటుంది. సాధారణంగా, సులభంగా ద్రవీకరించదగిన వాయువులు (అనగా, ఎక్కువ క్రిటికల్ ఉష్ణోగ్రతలతో) సులభంగా శోషించబడతాయి ఎందుకంటే వాన్ డెర్ వాల్స్ బలాలు క్రిటికల్ ఉష్ణోగ్రతల దగ్గర బలంగా ఉంటాయి. అందువల్ల, యాక్టివేటెడ్ చార్కోల్ యొక్క $1 \mathrm{~g}$ మీథేన్ (క్రిటికల్ ఉష్ణోగ్రత 190K) కంటే ఎక్కువ సల్ఫర్ డయాక్సైడ్ను (క్రిటికల్ ఉష్ణోగ్రత 630K) శోషిస్తుంది, ఇది ఇంకా డైహైడ్రోజన్ యొక్క $4.5 \mathrm{~mL}$ కంటే ఎక్కువ (క్రిటికల్ ఉష్ణోగ్రత $33 \mathrm{~K}$)..

(iii) విలోమ స్వభావం: ఒక ఘన పదార్థం ద్వారా వాయువు యొక్క భౌతిక శోషణ సాధారణంగా విలోమం. అందువల్ల,

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

పీడనం పెరిగినప్పుడు ఎక్కువ వాయువు శోషించబడుతుంది ఎందుకంటే వాయువు యొక్క ఘనపరిమాణం తగ్గుతుంది (లీ-చాటెలియర్ సూత్రం) మరియు పీడనం తగ్గించడం ద్వారా వాయువును తొలగించవచ్చు. శోషణ ప్రక్రియ ఉష్ణమోచకం కాబట్టి, భౌతిక శోషణ తక్కువ ఉష్ణోగ్రత వద్ద సులభంగా జరుగుతుంది మరియు ఉష్ణోగ్రత పెరిగేకొద్దీ తగ్గుతుంది (లీ-చాటెలియర్ సూత్రం).

(iv) శోషకం యొక్క ఉపరితల వైశాల్యం: శోషకం యొక్క ఉపరితల వైశాల్యం పెరిగేకొద్దీ శోషణ యొక్క మేర పెరుగుతుంది. అందువల్ల, సూక్ష్మంగా విభజించబడిన లోహాలు మరియు పెద్ద ఉపరితల వైశాల్యాన్ని కలిగి ఉన్న సుషిర పదార్థాలు మంచి శోషకాలు.

(v) శోషణ యొక్క ఎంథాల్పీ: భౌతిక శోషణ ఒక ఉష్ణమోచక ప్రక్రియ అనేది నిస్సందేహం కానీ దాని శోషణ ఎంథాల్పీ చాలా తక్కువ (20– 40 kJ mol-1). ఎందుకంటే వాయు అణువులు మరియు ఘన ఉపరితలం మధ్య ఆకర్షణ బలహీన వాన్ డెర్ వాల్స్ బలాల కారణంగా మాత్రమే ఉంటుంది.

కెమిసార్ప్షన్ యొక్క లక్షణాలు

(i) అత్యధిక నిర్దిష్టత: కెమిసార్ప్షన్ అత్యంత నిర్దిష్టమైనది మరియు ఇది శోషకం మరియు శోషితం మధ్య రసాయన బంధం ఏదైనా అవకాశం ఉంటే మాత్రమే జరుగుతుంది. ఉదాహరణకు, ఆక్సైడ్ ఏర్పాటు ద్వారా ఆక్సిజన్ లోహాలపై శోషించబడుతుంది మరియు హైడ్రైడ్ ఏర్పాటు కారణంగా హైడ్రోజన్ సంక్రమణ లోహాల ద్వారా శోషించబడుతుంది.

(ii) అవిలోమ స్వభావం: కెమిసార్ప్షన్ సమ్మేళనం ఏర్పాటును కలిగి ఉంటుంది కాబట్టి, ఇది సాధారణంగా అవిలోమ స్వభావంలో ఉంటుంది. కెమిసార్ప్షన్ కూడా ఒక ఉష్ణమోచక ప్రక్రియ కానీ ఎక్కువ క్రియాశీలక శక్తి కారణంగా తక్కువ ఉష్ణోగ్రతల వద్ద ప్రక్రియ చాలా నెమ్మదిగా ఉంటుంది. చాలా రసాయన మార్పుల వలె, శోషణ తరచుగా ఉష్ణోగ్రత పెరుగుదలతో పెరుగుతుంది. తక్కువ ఉష్ణోగ్రత వద్ద శోషించబడిన వాయువు యొక్క ఫైసిసార్ప్షన్ ఎక్కువ ఉష్ణోగ్రత వద్ద కెమిసార్ప్షన్గా మారవచ్చు. సాధారణంగా ఎక్కువ పీడనం కూడా కెమిసార్ప్షన్ కు అనుకూలంగా ఉంటుంది.

(iii) ఉపరితల వైశాల్యం: భౌతిక శోషణ వలె, కెమిసార్ప్షన్ కూడా శోషకం యొక్క ఉపరితల వైశాల్యం పెరుగుదలతో పెరుగుతుంది.

(iv) శోషణ యొక్క ఎంథాల్పీ: కెమిసార్ప్షన్ యొక్క ఎంథాల్పీ ఎక్కువ (80-240 kJ mol-1) ఎందుకంటే ఇది రసాయన బంధం ఏర్పాటును కలిగి ఉంటుంది.

5.1.4 శోషణ సమోష్ణరేఖలు

శోషకం ద్వారా శోషించబడిన వాయువు మొత్తం యొక్క వైవిధ్యం స్థిరమైన ఉష్ణోగ్రత వద్ద పీడనంతో శోషణ సమోష్ణరేఖ అని పిలువబడే వక్రరేఖ ద్వారా వ్యక్తీకరించబడుతుంది.

ఫ్రెండ్లిచ్ శోషణ సమోష్ణరేఖ: ఫ్రెండ్లిచ్, 1909 లో, ఒక నిర్దిష్ట ఉష్ణోగ్రత వద్ద ఘన శోషకం యొక్క యూనిట్ ద్రవ్యరాశి ద్వారా శోషించబడిన వాయువు మొత్తం మరియు పీడనం మధ్య ఒక అనుభావిక సంబంధాన్ని ఇచ్చారు. సంబంధాన్ని క్రింది సమీకరణం ద్వారా వ్యక్తీకరించవచ్చు:

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

ఇక్కడ x అనేది పీడనం P వద్ద ద్రవ్యరాశి m శోషకంపై శోషించబడిన వాయువు యొక్క ద్రవ్యరాశి, k మరియు n అనేవి స్థిరాంకాలు ఇవి ఒక నిర్దిష్ట ఉష్ణోగ్రత వద్ద శోషకం మరియు వాయువు యొక్క స్వభావంపై ఆధారపడి ఉంటాయి. ఈ సంబంధం సాధారణంగా ఒక వక్రరేఖ రూపంలో సూచించబడుతుంది, ఇక్కడ శోషకం యొక్క ప్రతి గ్రాముకు శోషించబడిన వాయువు యొక్క ద్రవ్యరాశి పీడనానికి వ్యతిరేకంగా ప్లాట్ చేయబడుతుంది (Fig. 5.1). ఈ వక్రరేఖలు స్థిరమైన పీడనం వద్ద, ఉష్ణోగ్రత పెరుగుదలతో భౌతిక శోషణలో తగ్గుదల ఉందని సూచిస్తాయి. ఈ వక్రరేఖలు ఎల్లప్పుడూ ఎక్కువ పీడనం వద్ద సంతృప్తికి చేరుకుంటాయి. సమీ. (5.1) యొక్క లాగరిథమ్ తీసుకోవడం

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

ఫ్రెండ్ల