ADSORPTION

L'adsorption est le phénomène qui consiste en l'accumulation d'une substance à l'interface entre deux phases (gaz-solide, gaz-liquide, liquide-solide, liquide-liquide, solide-solide). Il a son origine dans les forces d'attraction intermoléculaires, de nature et d'intensité variées, qui sont responsables de la cohésion des phases condensées, liquides ou solides. Une molécule attirée inégalement par les autres molécules de deux phases trouvera une position énergétiquement favorable à la surface de la phase qui l'attire le plus ; celle-ci sera appelée l'adsorbant, les molécules ainsi adsorbées constituant l'adsorbat. Si les conditions énergétiques ou cinétiques permettent à la molécule de pénétrer au sein de la phase adsorbante, il y a absorption.

Les cristaux constituent des édifices suffisamment rigides et stables pour que, le plus souvent, les molécules adsorbées ne modifient pas leur structure en surface : on s'intéressera alors surtout aux propriétés des molécules à l'état adsorbé. Par contre, la manifestation essentielle de l'adsorption à la surface des liquides est de modifier leur tension superficielle. Bien que les phénomènes fondamentaux soient les mêmes, l'adsorption se manifeste différemment sur les solides et sur les liquides ; les méthodes d'étude et les domaines d'application sont différents et justifient des traitements distincts.

Adsorption gaz-solide

L'adsorption d'un gaz par un solide peut être mise en évidence expérimentalement d'autant plus facilement que l'aire de sa surface a été multipliée par son état de division. Si un solide cubique de 1 cm d'arête est divisé en petits cubes de 10 nm, l'aire de sa surface sera de 600 m² et, si l'arête comprend une vingtaine de molécules, environ le quart des molécules du solide seront des molécules de surface. De tels états de division sont le plus souvent instables (ils sont thermodynamiquement métastables), mais on peut préparer facilement des charbons actifs dont l'aire spécifique peut être estimée à plus de 1 000 m²/g. L'aptitude du charbon de bois à retenir des gaz fut reconnue il y a plus de deux siècles.

Pour connaître la quantité adsorbée, le plus facile est de mesurer soit la quantité d'adsorbat qui disparaît de la phase gazeuse, soit l'accroissement de masse de l'adsorbant. Pour un couple adsorbant-adsorbat donné, cette quantité dépend de la température et de la pression, et on représente des isothermes d'adsorption en portant la quantité adsorbée à l'équilibre en fonction de la pression à température constante. D'autre part, la nature, l'état et la quantité des molécules adsorbées peuvent être étudiés actuellement par des méthodes analytiques très fines et très élaborées.

À partir d'isothermes d'adsorption à différentes températures, on peut déduire par une relation thermodynamique simple la variation d'énergie des molécules lors de leur passage de l'état gazeux à l'état adsorbé. On constate qu'en règle générale l'adsorption est exothermique (libérant la chaleur d'adsorption). D'après la règle de Le Châtelier, la quantité adsorbée à l'équilibre doit donc croître avec l'abaissement de la température ou avec l'augmentation de la pression. Dans certains cas, la quantité adsorbée est limitée et plus faible à basse température, lorsqu'on atteint les conditions de condensation massive de l'adsorbat, c'est-à-dire sa pression de vapeur.

La seule détermination des isothermes d'adsorption fournit quelques critères qui permettent, le plus souvent, de classer les adsorptions gaz-solide en deux catégories selon la nature des interactions qui retiennent l'adsorbat à la surface. S'il s'agit des forces physiques (forces[...]