الامتزاز - كيمياء السطوح والحفز

كيمياء السطوح والحفز

الامتزاز : (Adsorption)

مفهوم الامتزاز : (Adsorption)
هناك تعريفان لمفهوم الامتزاز سنقوم بطرحهما لكي يتم فهم المصطلح العلمي بشكل افضل ويسهل على القارئ التمييز بين كلاً من (الامتزاز - المادة الممتزة - المادة المازة) وما هي آلية ارتباط الجزيئات بين كلٍ منها.

التعريف الاول:
هو ظاهرة تجمع مادة غازية او سائلة بشكل جزيئات او ذرات او ايونات لمادة معينة يطلق عليها المادة الممتزة (adsorbate) على سطح مادة اخرى صلبة مسامية يطلق عليها المادة المازة (adsorbent) ، ويكون الارتباط بين جزيئات المادة الممتزة بالمواقع الفعالة للسطح الماز إما من خلال قوى فاندرفالز (Vander waals) الضعيفة فيسمى في هذه الحاله امتزاز فيزيائي ، او من خلال تكوين اواصر كيميائية مع الذرات والجزيئات والايونات ويسمى في هذه الحالة امتزاز كيميائي.

التعريف الثاني:
الامتزاز Adsorption هو تراكم مادة ما (عادة أيونات أو غازات على هيئة ذرات أو جزيئات) على سطح سائل أو صلب ، الصنف الممتز adsorbed phase أو المادة الممتزة adsorbate هي المادة المنجذبة إلى السطح ، بينما المادة المازة adsorbent هي المادة التي حصل على سطحها الامتزاز. 

وهنا وجب علينا التنويه الى اهمية التفريق بين مصطلح الامتزاز adsorption ومصطلح الامتصاص absorption ، حيث ان الفرق بينهما كالتالي:الامتزاز يصف تمركز المادة على السطح بينما الامتصاص يتضمن اختراق ودخول مادة إلى داخل جسم مادة أخرى إضافة إلى تمركزها على السطح.

العوامل المؤثرة على عمليه الامتزاز :
1- طبيعة الغاز الممتز: الغازات سهلة الإسالة تكون أكثر قابلية للإمتزاز ويزداد الامتزاز بزيادة درجة الحرارة الحرجة للغاز.
تزداد عملية الامتزاز بزيادة ضغط الغاز (تركيزه) ويكون معدل الزيادة سريع في البداية ثم يحدث بطء تدريجي كلما تغطى السطح بجزيئات الغاز.

2- طبيعة السطح الماز: إذا كانت مساحة السطح كبيرة كان فعالية الامتزاز كبيرة.
يعتبر الفحم النباتي والسيليكا جل سطوحا مازة جيدة لأنها ذات تركيب مسامي يزيد من مساحة السطح.

3- درجة الحرارة: تتناسب كمية الغاز الممتزة تناسبا عكسيا مع الحرارة.
زيادة درجة حرارة الفحم من 350 - 1000°C يزيد من نشاطه السطحي.  

معلومات اكثر عن الامتزاز Adsorption
يعد الامتزاز من أهم الحقول في كيمياء السطح (Surface Chemistry)، إذ أضحى الامتزاز والعامل المساعد حالياً فرعين علميين بالغي الأهمية، لا تكاد تخلو أية صناعة من الصناعات القائمة في عصرنا الحالي من الاستفادة منهما، كما وان صناعات البترول والزيوت والألبان والاصباغ خير مثال على أهمية الامتزاز والفعل المساعد في نموها وتطورها.

إن الاستفادة من تطبيقات الامتزاز لا تقتصر على الجانب الصناعي وانما تتعدى إلى جوانب أخرى من أهمها التلوث البيئي والمجالات الطبية وما يتعلق بها من ناحية معالجة حالات التسمم و تحضير العقاقير.
وهذه الظاهرة تتوضح في عملية تجمع مادة بشكل جزيئات أو ذرات أو أيونات على سطح مادة أخرى.

والأمثلة على الامتزاز كثيرة نذكر منها امتزاز حامض الخليك على الفحم الحيواني وفيه تتجمع جزئيات الحامض على سطح دقائق الفحم، وأمتزاز الهيدروجين على أسطح بعض الفلزات كالنيكل والحديد.
تسمى المادة التي تعاني الامتزاز على السطح بالمادة الممتزة (Adsorbate) ، كما يدعى السطح الذي يتم عليه الامتزاز بالسطح الماز (Adsorbent).

قد يقتصر الامتزاز على تكوين طبقة جزئية واحدة على السطح الماز، وتدعى عندئذ بالامتزاز الاحادي الجزئية (Unimolecular Adsorption).

ويشمل الامتزاز احياناً تكوين عدة طبقات جزيئية على السطح الماز وتسمى العملية عندئذ بالامتزاز متعدد الجزئيات Multimolecular Adsorption.
يصحب الامتزاز عادة نقصان في الطاقة الحرة (Free Energ) (ΔG) للسطح الماز Adsorbent،  كما يرافقة نقص في الانتروبي ΔS) Entropy) لان الجزئيات التي تعاني الامتزاز تصبح مقيدة بسبب ارتباطها بذرات السطح، وبذلك تفقد بعض من درجات حريتها قياساً بالحالة التي كانت عليها قبل الامتزاز ويترتب على تناقص الطاقة الحـرة ΔG والانتروبي ΔS في وقت واحد تناقص المحتوى الحراري Heat Content) (ΔH)) بموجب العلاقة الثرموديناميكية التي تربط الكميات الثلاث معاً في درجة حرارة معينة :

ΔG = ΔH – TΔS 

اهمية الامتزاز:
على الرغم من أن الامتزاز يعد من التقنيات القديمة فانه يمتلك من الاهمية ما يجعل أي صناعة في الوقت الحاضر لا تستغني عنه في تطبيقاتها واستخدامها، فهو يستخدم في صناعات البترول والاصباغ والصناعات الغذائية كالزيوت والالبان وغيرها من الصناعات التي لا مجال لحصرها.

وتكفي الاشارة إلى انه تكاد لا توجد صناعة قائمة في الوقت الحاضر على الصعيدين المدني والعسكري خالية من عمليات الامتزاز.

وتستخدم عملية الامتزاز لانجاز العديد من عمليات الفصل  خاصة تلك التي يتعذر انجازها أو أن انجازها يكون غير عملي وغير مجد باستخدام الطرق التقليدية مثل عملية التقطير أو الامتصاص أو حتى باستخدام النظم ذات الاساس الغشائي.

وربما تكون اكثر التطبيقات المعروفة لعملية الامتزاز شيوعاً هي عملية معالجة وتنقية المياه، خاصة تلك الناتجة من العمليات الصناعية المختلفة ومياه الصرف الصحي وذلك لازالة أي اثر للمواد الملوثة ذات خطورة السمية الكبيرة على البيئة والمجتمع فضلا عن معالجة اللون والطعم والرائحة الناتجة عن التلوث.

وقد توسعت عمليات تطبيق الامتزاز في الاونة الاخيرة في هذا المجال بسرعة كبيرة جدا بسبب الحاجة المتزايدة اليها وارتفاع المتطلبات البيئية بصورة واسعة كماً ونوعاً.
وقد سهل هذه التطبيقات التطور التكنولوجي الكبير في تحضير وتوفير العديد من المواد المازة المتنوعة وساعد هذا الامر بدوره على انجاز الكثير من التطبيقات المهمة في عمليات الامتزاز وللاغراض المختلفة.

وخلال فترة طويلة من الزمن حاول العديد من الباحثين بناء مفهوم وتصور واضحين حول الميكانيكية التي تحصل بها عملية الامتزاز، وفي الحقيقة قاد هذا التطور إلى تصميم وصياغة العديد من المعادلات الرياضية التي تصف عمليات الامتزاز للاستخدامات المختلفة بصورة شبه تجريبية.

واخيرا اصبح من الممكن حل هذه المعادلات الرياضية ذات العلاقة بالامتزاز باستخدام التحليل العددي، وقد مّكن تطور البرمجيات وتوفر الحاسبات المتطورة إلى تحديد ودراسة العوامل المؤثرة على الامتزاز مباشرة دون الخوض في مجالات مضللة.

ولكن يتبادر في اذهاننا سؤال هام جدا وهو، كيف تنشأ ظاهرة الامتزاز ؟تنشأ عملية الامتزاز نتيجة لظهور حالة عدم الإشباع أو عدم التوازن للقوى الجزيئية لسطوح السوائل والمواد الصلبة … وعملية إشباع القوى تعرف بعملية الامتزاز .

امتزاز الغازات على السطوح الصلبة Adsorption of Gases by Solids  
العوامل : طبيعة السطح ، ونوع الغاز الممتز ، ومساحة سطح الصلب ، ودرجة الحرارة ، وضغط الغاز.

مقارنة حجوم الغازات المختلفة والممتزة على سطح الفحم عند 15°C يتبين أن مدى الامتزاز لهذه الغازات يسير بشكل موازٍ للزيادة في درجة الحرارة الحرجة لإسالة الغاز.
زيادة مساحة سطح المادة المازة adsorbent يزيد من الكمية الكلية للغاز الممتز.

تنشأ حالة اتزان حقيقية بين الغاز في حالة تماس مع الصلب والغاز الموجود على سطح الصلب و عملية الاتزان تتأثر بشكل كبير بدرجة الحرارة ، ارتفاع درجة الحرارة يؤدي إلى انخفاض كمية المادة الممتزة.

أنواع الامتزاز Types of Adsorption
وحتى نتعرف الى انواع الامتزاز واهم مميزات واهمية كل نوع سنتطرق الى شرح ذلك بصورة مختصرة ثم نقوم بذكر الانواع بشكل اكثر تفصيلاً:

تتم علملية الامتزاز على سطوح بعض المواد خاملة بسبب التشبع الالكتروني لذراتها , وذلك نتيجة للاواصر التي ترتبط بها تلك الذرات مع الذرات المجاورة للمادة نفسها ، إذ يتم الامتزاز على هذه السطوح من خلال قوى التجاذب الطبيعي، ويدعى هذا النوع من الامتزاز  بالامتزاز الطبيعي أو الفيزيائي Physical Adsorption وفي بعض الأحيان يسمى بامتزاز  فاندرفالز Vander Waals Adsorption ويكون الامتزاز الفيزيائي شبيهاً في طبيعته وميكانيكيته بظاهرة تكثف بخار مادة على سطح سائل المادة نفسها.

ترتبط جزيئات المادة الممتزة على سطح المادة المازة بوساطة قوى فاندرفالز التداخلية الضعيفة نسبياً ، إذ يحدث على كل السطوح ولا توجد سطوح مختصة بهذا الامتزاز فعلى سبيل المثال يمكن لغاز النتروجين أن يعاني امتزازاً فيزيائياً على سطح أي مادة صلبة شرط أن تكون درجة الحرارة اقل من نقطة غليان المادة الممتزة.

وهنالك سطوح أخرى تعد نشطة في عملية الامتزاز وذلك لعدم تشبع ذراتها الكترونياً، وتبقى ذرات هذه السطوح غير مشبعة الكترونياً رغم الأواصر التي تكونها مع الذرات المجاورة إذ تميل هذه السطوح إلى تكوين أواصر كيميائية مع الذرات أو الجزيئات التي يتم امتزاز ها على السطح، و يدعى مثل هذا النوع من الامتزاز بالامتزاز الكيميائي.

انواع الإمتزاز :
يصنف الامتزاز بالاعتماد على نوع وطبيعة القوى التي تربط جزيئات او ذرات المادة الممتزة بالسطح الصلب وتتحدد هذه القوى حسب طبيعة المادة المازة فضلا عن طبيعة السطح الماز من حيث نشاطه الالكتروني .

وعليه يمكن ان يصنف الامتزاز إلى نوعين :
1- الامتزاز الفيزيائي :
ويطلق عليه عادة بالامتزاز الطبيعي او امتزاز فاندرفالز وهو عبارة عن قوى تجاذب طبيعية (على نمط القوى التي تسبب اسالة الغاز) تحدث بين السطح الماز والذي يكون خاملا بسبب التشبع الالكتروني لذراته نتيجة للاواصر التي ترتبط بها تلك الذرات مع الجزيئات او الايونات التي يتم امتزازها على سطح الذرات المجاورة للمادة نفسها.

وتعد قيمة حرارة الامتزاز من احسن المعايير المستخدمة للتمييز بين نوعي الامتزاز الفيزيائي والكيميائي اذ تكون قيمتها في الامتزاز الفيزيائي اقل من (40KJ /mol) وعليه فهو يحدث في الظروف الاعتيادية وعند الدرجات الحرارية المنخفضة أي ان طاقة تنشيطه واطئة ، وتكون للذرة او الجزيئة الممتزة على السطح في هذا النوع قدرة على الحركة ضمن مساحة محددة ويمكن ان تتجمع المادة الممتزة بطبقات عدة على السطح الصلب ويسمى بذلك امتزاز متعدد الجزيئات كما تم ذكره مسبقا.

2- الامتزاز الكيميائي :
يحدث هذا النوع من الامتزاز على السطوح النشطة غير المشبعة الكترونيا ، اذ تميل فيه السطوح الى تكوين اواصر كيميائية مع الذرات او الجزيئات او الايونات التي يتم امتزازها على السطح ، ويمتاز الامتزاز الكيميائي بكونه اكثر خصوصيا (Specific) اذ انه يمكن ان يحدث في ظروف معينة ولا يحدث على سطح اخر عند الظروف نفسها او انه قد لا يحدث على السطح نفسه عند تغير هذه الظروف وتصل حرارة الامتزاز الكيميائي الى اكثر من (80KJ / mol).

ويعد هذا النوع من الامتزاز الخطوة الاولى في التفاعل الكيميائي لذا فانه يحتاج الى طاقة تنشيط عالية وتحتاج الدقائق الممتزة امتزازا كيميائيا الى طاقة تنشيط ثابتة بالنسبة للسطح المتجانس في حين يمكن ان تتفاوت قيمة طاقة التنشيط من موقع الى اخر على نفس السطح الماز عندما يكون غير متجانس طاقيا وتتكون في الامتزاز الكيميائي طبقة واحدة من المادة الممتزة على السطح كحد اقصى ويسمى هذا النوع من الامتزاز باحادي الجزئية.

خلاصة أنواع الامتزاز:
بناءً على ما تقدم فان الامتزاز الفيزيائي يمكن ان يحدث في درجات حرارة تقترب او تقل من درجة غليان المادة الممتزة عند توفر الظروف المناسبة ، اما الامتزاز الكيميائي فيحدث في درجات حرارة تزيد عن درجة غليان المادة الممتزة ، أي ان درجة الحرارة تؤدي دورا مهما في حدوث عملية الامتزاز اذ يمكن ان يحدث امتزاز فيزيائي في درجة حرارة واطئة يتبعه حدوث امتزاز كيميائي عند درجات الحرارة العالية.