Un modèle décrivant l'adsorption sur une surface homogène qui suppose un nombre fixe de sites d'adsorption équivalents, une couverture monomoléculaire et l'absence d'interactions entre espèces adsorbées, donnant une isotherme hyperbolique simple (Langmuir) pour la couverture à l'équilibre en fonction de la pression ou de la concentration.

Principe

L'adsorption est un équilibre entre espèces libres et liées aux sites avec des sites indépendants et identiques : la fraction de sites occupés θ suit θ = Kc/(1 + Kc) (ou Kp/(1 + Kp) pour les gaz), où K est une constante d'équilibre par site ; la cinétique se ramènent à des vitesses d'adsorption et de désorption d'ordre un par site.

Démonstration

Scénario illustratif : mesurer l'adsorption d'un gaz sur une surface métallique propre et bien caractérisée à faible couverture et ajuster les données d'équilibre à l'isotherme de Langmuir pour extraire une constante de liaison de site. Des incertitudes apparaissent si la surface est hétérogène, si des interactions latérales existent, ou si l'adsorption multilayer commence à des pressions plus élevées.

Mauvaise application

Appliquer le modèle de Langmuir à des surfaces hétérogènes, à l'adsorption multilayer, à une adsorption fortement coopérative ou à des systèmes avec interactions latérales importantes (p. ex. attraction/répulsion entre adsorbés) donne des paramètres trompeurs et de mauvais ajustements ; les modèles BET ou Freundlich ou des modèles explicites en réseau sont alors plus appropriés.

Conséquence

Lorsque valide, le modèle de Langmuir fournit une description minimale et parcimonieuse de l'adsorption monomoléculaire qui permet d'extraire des constantes de liaison et des densités de sites et donne un cadre cinétique simple pour les processus d'adsorption et de désorption.

Inversion

Permettre l'adsorption multilayer, des interactions latérales, ou l'hétérogénéité des sites inverse les hypothèses de base et produit des isothermes non hyperboliques, des énergies de liaison dépendant de la couverture et des phénomènes coopératifs non captés par la forme de Langmuir.

Limite

Valable pour l'adsorption monomoléculaire à l'équilibre sur des surfaces de sites équivalents et indépendants et avec interactions latérales négligeables — typiquement faible à modérée couverture et substrats non poreux et uniformes ; non approprié pour les matériaux poreux avec condensation capillaire, fortes interactions adsorbat‑adsorbat ou distributions de sites hétérogènes.

Tension sémantique

Voisine des descriptions BET, Freundlich et des gaz sur réseau : Langmuir fournit l'image monomoléculaire non interactive la plus simple, tandis que les modèles concurrents incorporent multilayer, hétérogénéité ou comportement empirique en loi de puissance pour capturer les déviations observées.

Synthèse

Le modèle d'adsorption de Langmuir est la description canonique à site unique et sans interaction pour le monomolayeur : il relie l'équilibre d'adsorption d'une surface à une isotherme compacte et à une cinétique d'ordre un, servant de référence pour détecter et modéliser hétérogénéité, multilayering et coopérativité.