흡착

기체, 액체 또는 용해된 상태의 원자, 분자 또는 이온이 고체나 액체 표면에 붙는 과정을 흡착(adsorption)이라고 하며, 이는 크게 물리 흡착(physisorption)과 화학 흡착(chemisorption)으로 나눈다. 흡착 과정은 불균일 촉매 반응, 기체의 분리 및 제거, 용액의 불순물 제거 등과 밀접하게 연관되어 있다.

목차

고체 표면의 원자는 빈 곳으로 노출된 방향의 결합이 끊어져 있기 때문에 불안정하다. 따라서 주위의 기체 분자와 물리적 혹은 화학적 결합을 형성하여 안정화하려는 경향이 있다.

흡착 과정에서의 엔탈피 변화량(흡착열)은 항상 0보다 작다.

@@NAMATH_INLINE@@\Delta H_{ads} <0@@NAMATH_INLINE@@

기체 분자가 고체 표면에 흡착되면 분자 운동의 자유도가 감소하므로 엔트로피가 감소한다.

@@NAMATH_INLINE@@\Delta S_{ads} <0@@NAMATH_INLINE@@

하지만 기체의 표면 흡착이 자발적으로 일어나려면 깁스 에너지 변화가 0보다 작아야 한다.

@@NAMATH_INLINE@@\Delta G_{ads} = \Delta H_{ads} - T \Delta S_{ads} @@NAMATH_INLINE@@(온도, 압력 일정)

흡착량이 증가하면 @@NAMATH_INLINE@@\Delta H_{ads} @@NAMATH_INLINE@@는 0에 가까워지며, 흡착량 변화에 따라 @@NAMATH_INLINE@@\Delta G_{ads} @@NAMATH_INLINE@@가 0이 되면 흡착과 탈착은 평형에 이른다.

흡착되는 분자와 표면 사이의 결합 종류에 따라 물리 흡착과 화학 흡착으로 나눌 수 있다. 물리 흡착 과정에서는 흡착되는 분자나 원자의 전자 구조가 거의 변하지 않으며, 반데르발스 힘에 의한 물리적 결합이 만들어진다. 물리 흡착 과정을 연구하면, 고체 표면의 면적, 공극률(porosity)¹⁾ 등에 대한 정보를 얻을 수 있다.

화학 흡착 과정에서는 흡착되는 분자나 원자와 표면 사이에 화학 결합이 형성된다. 이 결과 새로운 화학종이 만들어질 수 있으며, 화학 흡착 과정은 비가역적이며, 물리 흡착보다 흡착 에너지가 훨씬 더 크다.

그림 1은 A₂ 분자의 표면 흡착 과정에서의 퍼텐셜 에너지 변화를 보여 준다. 분자와 표면의 거리가 가까워지면 퍼텐셜 에너지가 낮아지며, A₂ 분자는 표면에 물리 흡착된다(빨간색 선). 표면과의 거리가 더 가까워지면, A 원자의 퍼텐셜 에너지 곡선(파란색 선)과 교차하게 된다. 이 선을 따라 A₂ 분자가 해리되어 표면에 화학 흡착을 한다.

그림 1. 물리 흡착 및 화학 흡착 과정에서의 퍼텐셜 에너지 곡선. (출처: 대한화학회)

그림 2는 화학 흡착이 일어나지 않을 때의 퍼텐셜 에너지 곡선을 보여 준다. 물리 흡착 상태에서 화학 흡착 상태로 가기 위해서는 활성화 에너지(E_a)를 극복하여야 한다. 이 경우에는 충분한 에너지를 갖고 표면에 충돌하는 분자만 화학 흡착을 한다.

그림 2. 화학 흡착이 일어나지 않을 때의 퍼텐셜 에너지 곡선. (출처: 대한화학회)

온도가 일정할 때 기체의 압력에 따라 흡착되는 기체의 양 변화를 보여주는 선을 흡착 등온선(isotherm)이라고 하며, 이 선을 관찰하면 표면의 흡착 과정에 대한 정보를 얻을 수 있다.

기체의 물리 흡착이 단원자 층으로 완결될 때 표면의 덮임률 @@NAMATH_INLINE@@\theta@@NAMATH_INLINE@@와 기체 압력 @@NAMATH_INLINE@@P@@NAMATH_INLINE@@ 사이에는 다음과 관계가 있다.

@@NAMATH_INLINE@@\theta = \frac{bP}{1+bP}@@NAMATH_INLINE@@ (b는 상수)

온도가 일정할 때 이 관계를 나타내는 선을 랭뮤어 등온선이라고 한다. 그림 3은 온도에 따른 랭뮤어 등온선을 보여준다.

그림 3. 랭뮤어 등온선.()

대부분 고체 표면에는 어느 정도의 기체 흡착이 일어난다. 하지만 다음과 같은 다양한 요인에 의해 흡착량이 달라진다.

(1) 고체의 표면적 - 같은 조건에서는 표면적이 클수록 많은 양이 흡착된다. 따라서 표면적이 큰 숯, 실리카 겔, 알루미나 등은 좋은 흡착제이다. 반응성을 높이기 위해서 불균일 촉매에는 표면적이 큰(~300 m²/g) 알루미나나 제올라이트를 촉매 지지체로 사용한다. 예를 들어 휘발유 제조 공정의 Pt 촉매는 γ-알루미나를 지지체로 사용하며, 자동차 촉매 변환기의 백금-로듐-팔라듐 촉매는 벌집형 세라믹을 사용한다.

(2) 흡착되는 기체의 특성 - 일반적으로 임계 온도가 높은 기체일수록, 액화가 잘되는 기체일수록 흡착이 잘된다.

(3) 흡착제 표면 온도 - 온도가 낮을수록 흡착되는 기체의 양이 증가한다. @@NAMATH_INLINE@@ 0 \ ^oC @@NAMATH_INLINE@@에서 숯 @@NAMATH_INLINE@@ 1 \ g @@NAMATH_INLINE@@에 질소 @@NAMATH_INLINE@@ 10 \ cm^3@@NAMATH_INLINE@@가 흡착된다면 @@NAMATH_INLINE@@ -78 \ ^oC @@NAMATH_INLINE@@에서는 @@NAMATH_INLINE@@ 45 \ cm^3@@NAMATH_INLINE@@가 흡착된다.

(4) 기체의 압력 - 압력이 높을수록 단위 시간당 단위 면적에 충돌하는 기체 분자 수가 증가하며, 따라서 흡착량이 증가한다.

(5) 흡착제 표면의 활성화 - 흡착제를 잘게 부수거나 표면을 거칠게 만들어 표면적을 넓히면 흡착량을 증가시킬 수 있다. 흡착제를 다공성으로 만들어 흡착 효율을 증가시키기도 한다.

흡착 현상은 과학, 공학, 산업, 일상생활에서 광범위하게 이용되고 있다.

(1) 불균일 촉매 - 촉매 반응이 일어나려면 먼저 반응 기체가 촉매 표면에 흡착되어야 한다. 표면에 흡착된 분자 또는 원자의 반응으로 생성물이 형성되고, 생성물 분자가 표면에서 탈착되며 촉매 반응이 완결된다.

(2) 방독면 - 모든 방독면의 정화통에는 공기 중의 유해 화합물을 선택적으로 흡착하는 흡착제가 들어있다.

(3) 설탕의 정제 - 동물성 활성탄을 이용하여 흑설탕을 백설탕으로 정제한다.

(4) 정수 - 정수기의 탄소 여과기는 마시는 물 내의 유기물이나 중금속을 흡착하여 제거한다.

(5) 크로마토그래피 - 용액 속의 특정 용질을 선택적으로 흡착하여 혼합물을 분리한다.

(6) 제습제 - 실리카젤이나 알루미나는 공기 중 수분을 흡착하여 제거한다.

(7) 고진공 펌프 - 기계식 펌프로 @@NAMATH_INLINE@@ 10^{-2} \ torr@@NAMATH_INLINE@@의 진공을 만든 후 흡착 펌프를 사용하면 @@NAMATH_INLINE@@ 10^{-6} \ torr@@NAMATH_INLINE@@의 고진공을 얻을 수 있다.

(8) 약 - 많은 종류의 약은 세균을 흡착하여 제거한다.

(9) 표면 연구 - 물리 흡착 등온선으로부터 표면의 면적, 공극률 등에 대한 정보를 얻을 수 있다.

1. 물질의 전체 부피 중 비어 있는 공간의 비율.