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Avancé · 15 min

Sites d’adsorption et isotherme de Langmuir

Examinez les puits de potentiel périodiques d’une surface solide — les sites d’adsorption — et reliez leur nombre fini à la forme saturante de l’isotherme de Langmuir.

Objectif

Déduisez de l’image les hypothèses de l’isotherme de Langmuir θ=Kp1+Kp\theta=\frac{Kp}{1+Kp} : sites fixes, monocouche, pas d’interaction latérale.

Matériel et réactifs

Modèle 3D orientable d’une surface d’adsorption corruguée ; données de référence pour un ajustement de Langmuir (couverture contre pression).

Procédure

  1. Tournez la surface et repérez les puits périodiques ; comptez les sites marqués.
  2. Imaginez les molécules se posant une par site : listez ce que le modèle interdit (double occupation, saut entre sites).
  3. Raisonnez que la couverture θ est proportionnelle à la pression à bas p mais tend vers 1 quand tous les sites sont pleins — la forme de Langmuir.
  4. Comparez avec la condensation multicouche (BET) quand l’adsorbat mouille la surface au-delà de la première couche.

À observer

  • Le potentiel de surface est périodique : les molécules voient un réseau régulier de puits de liaison équivalents plutôt qu’un plan lisse.
  • Le nombre de puits étant fini, la couverture doit saturer : θ → 1 quand p → ∞, sans croissance illimitée.

Explication

Le modèle de Langmuir (1918) suppose des sites identiques et indépendants, au plus une molécule par site et aucune interaction entre adsorbats. En égalant adsorption kap(1−θ)k_a p (1-\theta) et désorption kdθk_d\theta on obtient θ=Kp1+Kp\theta=\frac{Kp}{1+Kp}, l’équation à la base de la catalyse hétérogène (principe de Sabatier : ni trop faible, ni trop fort).

Histoire de l’expérience

Irving Langmuir reçut le Nobel 1932 de chimie des surfaces après avoir dérivé son isotherme chez General Electric ; Gerhard Ertl (2007) transforma cette même image des sites de surface en boîte à outils moléculaire expliquant les pots catalytiques.

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Expérience virtuelle : un modèle simplifié pour construire l’intuition. Elle ne remplace ni le travail réel en laboratoire ni la formation à la sécurité ; ne la reproduisez pas chez vous sans encadrement.