Physical Chemistry भौतिक रसायन (Physical Chemistry)

Langmuir adsorption isotherm लैंगम्यूर अधिशोषण समतापी (Langmuir Adsorption Isotherm)

The Langmuir adsorption isotherm quantitatively relates the fractional surface coverage to the pressure or concentration of an adsorbate at constant temperature. It is derived by assuming dynamic equilibrium between adsorption and desorption rates on a localized, energetically uniform surface containing a fixed number of identical sites. लैंगम्यूर अधिशोषण समतापी (Langmuir Adsorption Isotherm) स्थिर तापमान पर अधिशोष्य (adsorbate) के दाब या सांद्रता के साथ आंशिक पृष्ठीय कवरेज (fractional surface coverage) का मात्रात्मक संबंध बताता है। इसे एक स्थानीयकृत, ऊर्जावान रूप से समान सतह पर, जिसमें समान साइटों की एक निश्चित संख्या होती है, अधिशोषण और विशोषण (desorption) दरों के बीच गतिशील संतुलन (dynamic equilibrium) मानकर व्युत्पन्न किया गया है।

UP PGT Chemistry Subject Code 02 B.Sc. / M.Sc. Level

Derivation and Kinetic Postulates व्युत्पत्ति और गतिक अभिधारणाएं (Derivation and Kinetic Postulates)

  • Adsorption is treated as a dynamic equilibrium between free gas molecules striking vacant sites and adsorbed molecules desorbing from occupied sites.
  • The rate of adsorption is proportional to the gas pressure P and the fraction of vacant sites (1 - θ), expressed as Ra = kaP(1 - θ).
  • The rate of desorption is proportional to the fraction of occupied sites θ, expressed as Rd = kdθ.
  • At adsorption equilibrium, Ra = Rd, yielding the standard Langmuir relation θ = (kaP/kd) / (1 + kaP/kd).
  • अधिशोषण को रिक्त साइटों से टकराने वाले मुक्त गैस अणुओं और अधिकृत साइटों से विशोषित होने वाले अणुओं के बीच एक गतिशील संतुलन के रूप में माना जाता है।
  • अधिशोषण की दर गैस के दाब P और रिक्त साइटों के अंश (1 - θ) के समानुपाती होती है, जिसे Ra = kaP(1 - θ) के रूप में व्यक्त किया जाता है।
  • विशोषण की दर अधिकृत साइटों के अंश θ के समानुपाती होती है, जिसे Rd = kdθ के रूप में व्यक्त किया जाता है।
  • अधिशोषण संतुलन पर, Ra = Rd, जिससे मानक लैंगम्यूर संबंध θ = (kaP/kd) / (1 + kaP/kd) प्राप्त होता है।

Limiting Behavior and Pressure Regimes सीमांत व्यवहार और दाब क्षेत्र (Limiting Behavior and Pressure Regimes)

  • At low pressure regimes (KP << 1), the term KP in the denominator is neglected, making coverage directly proportional to pressure (θ = KP).
  • At high pressure regimes (KP >> 1), the surface approaches saturation where θ ≈ 1, making the adsorption independent of pressure (zero-order kinetics).
  • The volume of gas adsorbed v is directly proportional to θ, such that v = vmaxKP / (1 + KP), where vmax is the volume for complete monolayer coverage.
  • Plotting P/v versus P yields a straight line with a slope of 1/vmax and an intercept of 1/(vmaxK), allowing graphical determination of surface area.
  • निम्न दाब क्षेत्रों (KP << 1) में, हर (denominator) में KP पद की उपेक्षा की जाती है, जिससे कवरेज सीधे दाब के समानुपाती हो जाता है (θ = KP)।
  • उच्च दाब क्षेत्रों (KP >> 1) में, सतह संतृप्ति (saturation) के करीब पहुंच जाती है जहां θ ≈ 1 होता है, जिससे अधिशोषण दाब से स्वतंत्र (शून्य-कोटि गतिकी) हो जाता है।
  • अधिशोषित गैस का आयतन v सीधे θ के समानुपाती होता है, जैसे v = vmaxKP / (1 + KP), जहां vmax पूर्ण एकपरतीय कवरेज (monolayer coverage) के लिए आयतन है।
  • P/v बनाम P का आलेख खींचने पर 1/vmax की ढाल (slope) और 1/(vmaxK) के अंतःखंड (intercept) के साथ एक सीधी रेखा प्राप्त होती है, जो पृष्ठीय क्षेत्रफल के ग्राफीय निर्धारण की अनुमति देती है।

Underlying Assumptions and Limitations अंतर्निहित धारणाएं और सीमाएं (Underlying Assumptions and Limitations)

  • The model assumes adsorption is strictly localized and restricted to a monomolecular layer, preventing multi-layer condensation.
  • All adsorption sites are assumed to be energetically equivalent and uniform, with no surface heterogeneity.
  • There are assumed to be no lateral interactions between adjacent adsorbed molecules, meaning the heat of adsorption remains constant regardless of coverage.
  • The model fails at high pressures and low temperatures where multilayer adsorption occurs, as described by the BET isotherm instead.
  • यह मॉडल मानता है कि अधिशोषण सख्ती से स्थानीयकृत है और एक एकल आणविक परत (monomolecular layer) तक सीमित है, जो बहु-परतीय संघनन को रोकता है।
  • सभी अधिशोषण साइटों को ऊर्जावान रूप से समान और एकसमान माना जाता है, जिसमें कोई पृष्ठीय विषमता नहीं होती है।
  • यह माना जाता है कि आसन्न अधिशोषित अणुओं के बीच कोई पार्श्व अंतःक्रिया (lateral interaction) नहीं होती है, जिसका अर्थ है कि अधिशोषण की ऊष्मा कवरेज की परवाह किए बिना स्थिर रहती है।
  • यह मॉडल उच्च दाब और निम्न तापमान पर विफल हो जाता है जहां बहु-परतीय अधिशोषण होता है, जिसे इसके बजाय BET समतापी द्वारा वर्णित किया जाता है।
📐 Key Formulas & Equations 📐 महत्वपूर्ण सूत्र एवं समीकरण
Langmuir Adsorption Isotherm (Concentration Form) लैंगम्यूर अधिशोषण समतापी - सांद्रता रूप (Langmuir Adsorption Isotherm - Concentration Form)
θ = KC1 + KC
Conditions: Adsorption from dilute liquid solution
शर्तें: तनु तरल विलयन से अधिशोषण
इकाइयाँ: लागू नहीं
Linearized Langmuir Form (Type I) रैखिक लैंगम्यूर रूप - प्रकार I (Linearized Langmuir Form - Type I)
Pv = 1vmaxK + Pvmax
Conditions: Gas adsorption where v is volume adsorbed at STP
शर्तें: गैस अधिशोषण जहां v, STP पर अधिशोषित आयतन है
इकाइयाँ: लागू नहीं
Adsorption Equilibrium Constant अधिशोषण साम्य स्थिरांक (Adsorption Equilibrium Constant)
K = kakd
Conditions: Rate of adsorption (ka) equals rate of desorption (kd)
शर्तें: अधिशोषण की दर (ka) विशोषण की दर (kd) के बराबर है
इकाइयाँ: लागू नहीं
High Pressure Limiting Form उच्च दाब सीमांत रूप (High Pressure Limiting Form)
θ ≈ 1
Conditions: Very high pressures (KP >> 1)
शर्तें: बहुत उच्च दाब (KP >> 1)
इकाइयाँ: लागू नहीं
Low Pressure Limiting Form निम्न दाब सीमांत रूप (Low Pressure Limiting Form)
θ = KP
Conditions: Very low pressures (KP << 1)
शर्तें: बहुत निम्न दाब (KP << 1)
इकाइयाँ: लागू नहीं
Langmuir Adsorption Isotherm (Pressure Form) लैंगम्यूर अधिशोषण समतापी - दाब रूप (Langmuir Adsorption Isotherm - Pressure Form)
θ = KP1 + KP
Conditions: Monomolecular adsorption, uniform surface, no lateral interactions
शर्तें: एकल आणविक अधिशोषण, समान सतह, कोई पार्श्व अंतःक्रिया नहीं
इकाइयाँ: लागू नहीं
⚠️ Important Exceptions & Anomalies ⚠️ महत्वपूर्ण अपवाद एवं विसंगतियाँ
Exceptionअपवाद Langmuir isotherm assumes constant heat of adsorption with coverageलैंगम्यूर समतापी कवरेज के साथ अधिशोषण की स्थिर ऊष्मा मानता है।

Observation: Heat of adsorption often drops significantly as surface coverage increases — Surface heterogeneity and lateral repulsive interactions between adjacent polar or charged adsorbates destabilize the adsorbed state at high coverages. प्रेक्षण: अधिशोषण की ऊष्मा अक्सर काफी गिर जाती है जैसे-जैसे पृष्ठीय कवरेज बढ़ता है; पृष्ठीय विषमता और ध्रुवीय या आवेशित अधिशोष्य के बीच पार्श्व प्रतिकर्षण बल उच्च कवरेज पर अधिशोषित अवस्था को अस्थिर कर देते हैं।

Exceptionअपवाद Langmuir isotherm strictly restricts adsorption to a single monolayerलैंगम्यूर समतापी सख्ती से अधिशोषण को एक एकल परत तक सीमित करता है।

Observation: Physical adsorption systems routinely transition into multilayer formation near saturation vapor pressure — Weak van der Waals forces allow condensation of subsequent molecular layers over already adsorbed molecules, violating the single-site monolayer restriction. प्रेक्षण: भौतिक अधिशोषण प्रणालियाँ संतृप्त वाष्प दाब के पास नियमित रूप से बहु-परतीय निर्माण में बदल जाती हैं; कमजोर वैन डेर वाल्स बल पहले से अधिशोषित अणुओं के ऊपर बाद की आणविक परतों के संघनन की अनुमति देते हैं।

Exceptionअपवाद Adsorption rate is directly proportional to vacant sites (1 - θ)अधिशोषण की दर रिक्त साइटों (1 - θ) के सीधे समानुपाती होती है।

Observation: Dissociative adsorption of diatomic gases like H2 or O2 scales with (1 - θ)2 — Molecules dissociate into two distinct atoms upon adsorption, requiring two adjacent vacant surface sites for successful attachment. प्रेक्षण: H2 या O2 जैसी द्विपरमाणुक गैसों का वियोजक अधिशोषण (1 - θ)2 के साथ स्केल करता है; अणु अधिशोषण पर दो अलग-अलग परमाणुओं में वियोजित हो जाते हैं, जिसके लिए सफल जुड़ाव हेतु दो आसन्न रिक्त पृष्ठीय साइटों की आवश्यकता होती है।

💡 Shortcuts & Memory Aids 💡 शॉर्टकट एवं स्मरणीय सूत्र
Intercept-Slope Method for Langmuir Constantsलैंगम्यूर स्थिरांक के लिए अंतःखंड-ढाल विधि
Slope = 1 / vmax, Intercept = 1 / (vmax K)

Application: In linear plots of P/v vs P, divide the intercept by the slope to directly find the adsorption coefficient K. अनुप्रयोग: P/v बनाम P के रैखिक आलेखों में, अधिशोषण गुणांक K को सीधे खोजने के लिए अंतःखंड को ढाल से विभाजित करें।

Dissociative Adsorption Modificationवियोजक अधिशोषण संशोधन
θ = K1/2 P1/21 + K1/2 P1/2

Application: Whenever a diatomic gas dissociates upon adsorption, replace P with P1/2 and K with K1/2 in the standard Langmuir equation. अनुप्रयोग: जब भी कोई द्विपरमाणुक गैस अधिशोषण पर वियोजित होती है, तो मानक लैंगम्यूर समीकरण में P को P^1/2 और K को K^1/2 से बदलें।

Fractional Coverage from Volume Ratiosआयतन अनुपात से आंशिक कवरेज
θ = vvmax

Application: Substitute volume of gas adsorbed per gram at a given pressure divided by the calculated monolayer capacity volume to get θ instantly. अनुप्रयोग: θ प्राप्त करने के लिए किसी दिए गए दाब पर प्रति ग्राम अधिशोषित गैस के आयतन को परिकलित मोनोलेयर क्षमता आयतन से विभाजित करें।

⚖️ Comparison of Adsorption Isotherms ⚖️ अधिशोषण समतापी की तुलना
ParameterपैरामीटरLangmuir Isothermलैंगम्यूर समतापीFreundlich Isothermफ्रायंडलिच समतापी
Surface Natureसतह की प्रकृतिAssumes uniform, homogeneous surfaceसमान, समांगी सतह मानता हैAssumes heterogeneous surface with varied site energiesविभिन्न साइट ऊर्जाओं वाली विषमांगी सतह मानता है
Layer Typeपरत का प्रकारStrictly monomolecular adsorptionसख्ती से एकपरतीय अधिशोषणApplicable to multilayer adsorption at intermediate pressuresमध्यवर्ती दाब पर बहु-परतीय अधिशोषण के लिए लागू
Mathematical Formगणितीय रूपθ = KP / (1 + KP)θ = KP / (1 + KP)x / m = k P1/n (where n > 1)x / m = k P^1/n (जहां n > 1)
Pressure Dependenceदाब निर्भरताIndependent of P at high pressuresउच्च दाब पर P से स्वतंत्रContinuous increase with pressure (no saturation plateau)दाब के साथ निरंतर वृद्धि (कोई संतृप्ति पठार नहीं)
🎯 Key Exam Points 🎯 महत्वपूर्ण परीक्षा बिंदु (Key Exam Points)
  • The Langmuir adsorption isotherm is strictly applicable to monolayer formation.
  • At very low pressures, Langmuir adsorption follows first-order kinetics with respect to pressure.
  • At very high pressures, Langmuir adsorption follows zero-order kinetics with respect to pressure.
  • The constant K in the Langmuir expression represents the ratio of the adsorption rate constant to the desorption rate constant.
  • A plot of P/v against P yields a straight line with a positive slope for Type I isotherms.
  • Dissociative adsorption of gases introduces a square-root dependence on pressure in the Langmuir isotherm.
  • लैंगम्यूर अधिशोषण समतापी सख्ती से एकपरतीय निर्माण पर लागू होता है।
  • बहुत कम दाब पर, लैंगम्यूर अधिशोषण दाब के संबंध में प्रथम-कोटि गतिकी का पालन करता है।
  • बहुत उच्च दाब पर, लैंगम्यूर अधिशोषण दाब के संबंध में शून्य-कोटि गतिकी का पालन करता है।
  • लैंगम्यूर अभिव्यक्ति में स्थिरांक K अधिशोषण दर स्थिरांक और विशोषण दर स्थिरांक के अनुपात का प्रतिनिधित्व करता है।
  • P/v बनाम P का आलेख प्रकार I समतापी के लिए धनात्मक ढाल के साथ एक सीधी रेखा देता है।
  • गैसों का वियोजक अधिशोषण लैंगम्यूर समतापी में दाब पर वर्ग-मूल निर्भरता पेश करता है।
🚫 Common Errors & Confusions 🚫 सामान्य भ्रांतियाँ एवं त्रुटियाँ (Common Errors)
  • Assuming Langmuir isotherm accounts for multilayer formation; remember it applies exclusively to monolayer adsorption.
  • Confusing the units of the equilibrium constant K in pressure form (Pa-1 or atm-1) with concentration form (dm3 mol-1).
  • Failing to square root the pressure term when dealing with dissociative gas adsorption like hydrogen or nitrogen on metal surfaces.
  • Interpreting the Freundlich empirical constant as having the exact theoretical foundation found in Langmuir's kinetic derivation.
  • यह मान लेना कि लैंगम्यूर समतापी बहु-परतीय निर्माण के लिए जिम्मेदार है; याद रखें कि यह विशेष रूप से एकपरतीय अधिशोषण पर लागू होता है।
  • दाब रूप (Pa^-1 या atm^-1) में साम्य स्थिरांक K की इकाइयों को सांद्रता रूप (dm^3 mol^-1) के साथ भ्रमित करना।
  • धातु सतहों पर हाइड्रोजन या नाइट्रोजन जैसे वियोजक गैस अधिशोषण से निपटते समय दाब पद का वर्गमूल न लेना।
  • फ्रायंडलिच अनुभवजन्य स्थिरांक की व्याख्या लैंगम्यूर की गतिक व्युत्पत्ति में पाए जाने वाले सटीक सैद्धांतिक आधार के रूप में करना।