固體物理吸附如何產生

1. 什麼是物理吸附和化學吸附

氣體分子在固體表面的吸附機理極為復雜，其中包含
物理吸附
和
化學吸附
。
由
分子間作用力
（
范德華力
）產生的吸附稱為物理吸附。物理吸附是一個普遍的現象，它存在於被帶入並接觸
吸附氣體
（吸附物質）的固體（
吸附劑
）表面。所涉及的分子間作用力都是相同類型的，例如能導致
實際氣體
的缺陷和蒸汽的凝聚。除了吸引
色散力
和近距離的排斥力外，由於吸附劑和吸附物質的特定
幾何形狀
和外層電子性質，通常還會發生特定分子間的相互作用（例如，極化、場-
偶極
、場梯度的四極矩）。
任何分子間都有作用力，所以物理吸附無選擇性，
活化能
小，吸附易，
脫附
也容易。它可以是
單分子層吸附
和
多分子層吸附
。
由分子間形成
化學鍵
而產生的吸附稱為化學吸附；它有選擇性，活化能大，吸附難，脫附也難，往往需要較高的溫度。化學吸附一定是單分子層吸附。
實際吸附可能同時存在物理吸附與化學吸附；先物理吸附後再化學吸附。
吸附量
可以用
標准大氣壓
下單位質量的樣品（吸附劑）上吸附物質（
吸附質
）的體積量度，可以用
ml/g
或
cc/g@STP表示。
在低溫下以發生物理吸附為主,
而可能的化學吸附發生在高溫下(發生了
特異性反應
).全過程涉及
高真空
,低溫,高溫,高精度真空量度,閥門按事先設定的程序
自動開關
等問題。

2. 吸附原理是

固體表面有吸附水中溶解及膠體物質的能力，比表面積很大的活性炭等具有很高的吸附能力，可用作吸附劑。吸附可分為物理吸附和化學吸附。如果吸附劑與被吸附物質之間是通過分子間引力(即范德華力)而產生吸附，稱為物理吸附；如果吸附劑與被吸附物質之間產生化學作用，生成化學鍵引起吸附，稱為化學吸附。離子交換實際上也是一種吸附，將在第二節中討論。
物理吸附和化學吸附並非不相容的，而且隨著條件的變化可以相伴發生，但在一個系統中，可能某一種吸附是主要的。在污水處理中，多數情況下，往往是幾種吸附的綜合結果。一定的吸附劑所吸附物質的數量與此物質的性質及其濃度和溫度有關。表明被吸附物的量與濃度之間的關系式稱為吸附等溫式。目前常用的公式有二：弗勞德利希(Freundlich)吸附等溫式，朗格繆爾(Langrnuir)吸附等溫式。

3. 什麼是吸附（是定義）

吸附
吸附是指物質（主要是固體物質）表面吸住周圍介質（液體或氣體）中的分子或離子現象。

吸附也屬於一種傳質過程，物質內部的分子和周圍分子有互相吸引的引力，但物質表面的分子，其中相對物質外部的作用力沒有充分發揮，所以液體或固體物質的表面可以吸附其他的液體或氣體，尤其是表面面積很大的情況下，這種吸附力能產生很大的作用，所以工業上經常利用大面積的物質進行吸附，如活性炭、水膜等。吸附過程有兩種情況：

物理吸附，在吸附過程中物質不改變原來的性質，因此吸附能小，被吸附的物質很容易再脫離，如用活性炭吸附氣體，只要升高溫度，就可以使被吸附的氣體逐出活性炭表面。

化學吸附，在吸附過程中不僅有引力，還運用化學鍵的力，因此吸附能較大，要逐出被吸附的物質需要較高的溫度，而且被吸附的物質即使被逐出，也已經產生了化學變化，不再是原來的物質了，一般催化劑都是以這種吸附方式起作用。

還有一種可以進行連續操作的分子篩，物料連續進入填充床，分子篩可以只吸附固定體積的分子，再釋放，而將體積過大的分子攔住，石油氣和天然氣的分離經常採用這種方式。

吸附作用是催化、脫色、脫臭、防毒等工業應用中必不可少的單元操作。

4. 物理吸附發生時化學吸附一定會發生嗎化學吸附的條件有哪些，請列舉出來

物理吸附發生時，化學吸附不一定會發生。但發生化學吸附時，一定發生了物理吸附。

反應物分子能否發生化學吸附取決於分子能否達到過渡態，即反應物分子應當具有比吸附活化能（Ea）大的能量需要在一定的反應溫度下，提高
反應物分子的能量，使其大於Ea，從而保證反應物分子由物理吸附過渡到化學吸附，進行催化反應。

氫分子在鎳表面上的吸附位能曲線

5. 吸附種類和吸附機理

按吸附現象產生的原因而言，可分為物理吸附及化學吸附。

（一）物理吸附

固體顆粒表面電荷的不均衡，往往使其帶電荷。按其電荷的性質可分為永久電荷和可變電荷。

永久電荷是礦物晶格內的同晶替代所產生的電荷。例如，粘土礦物的結構為硅四面體和鋁八面體，四面體內的硅和八面體內的鋁均可被與其直徑大小相近的離子所替代；四價的Si⁴⁺可被三價的Al³⁺所替代，而三價的Al³⁺可被二價的Mg²⁺所替代，這樣的結果，使顆粒表面電荷產生了不均衡，使其呈現出負電性。由於同晶替代是在粘土礦物形成時產生的，並且是在粘土晶格的內部，因此一旦產生這種電荷就不會改變，具有永久性質，故稱永久電荷。蒙脫石和伊利石的同晶替代較多，所以它們的表面電荷以永久電荷為主；而高嶺石則不同，它的同晶替代少，其主要的表面電荷另有來源。

可變電荷是顆粒表面產生化學解離形成的，其表面電荷的性質（正電荷或負電荷）及數量往往隨介質的pH值的改變而變化，所以稱為可變電荷。例如某些膠體顆粒表面分子或原子團的解離：

（1）二氧化硅膠體和含水二氧化硅膠體的解離

水文地球化學基礎

（2）粘土礦物顆粒晶面上的OH基中H⁺的解離

水文地球化學基礎

高嶺石晶體表面的OH基較多，所以它的表面電荷以可變電荷為主。

（3）氫氧化鐵及氫氧化鋁表面分子OH基的解離

Fe（OH）₃→Fe（OH）^2--+OH^-

A1（OH）₃→Al（OH）²⁺+H⁺

（4）腐殖質上某些原子團的解離

水文地球化學基礎

上述談到顆粒表面電荷形成的機理。由於固體顆粒表面帶電荷，所以在固液相接觸時。便會發生靠固體表面靜電引力吸附液相異性離子的現象，這種現象稱為物理吸附。

物理吸附的特點是，其吸附的鍵聯力為靜電引力，鍵聯力較弱，因此已吸附在顆粒表面的離子，在一定條件下，可被液體中另一種離子所替換，所以物理吸附也稱為「離子交換」。被吸附離子的電性，取決於表面電荷的電性，顆粒表面帶負電荷，吸附陽離子，稱為陽離子吸附，或陽離子交換；顆粒表面帶正電荷，吸附陰離子，稱為陰離子吸附，或陰離子交換。物理吸附這個表面反應是一種可逆反應，可用質量作用定律來描述。

（二）化學吸附

化學吸附不是依賴於靜電引力發生的，液相中的離子是靠鍵力強的化學鍵（如共價鍵）結合到固體顆粒表面的；被吸附的離子進入顆粒的結晶格架，成為晶格的一部分，它不可能再返回溶液，是一種不可逆反應。這種現象也稱為「特殊吸附」。產生化學吸附的一個基本條件是，被吸附離子直徑與晶格中網穴的直徑大致相等，例如，K⁺的直徑為266pm（2.66Å），硅鋁酸鹽膠體晶格網穴直徑為280pm（2.80Å），它們的直徑大致相等，所以K⁺可被吸附到膠體的晶格里。

在實際研究中，要區分物理吸附及化學吸附是十分困難的；而物理吸附要比化學吸附普遍。因此，目前研究最多的是物理吸附，而且物理吸附的研究，實際上也包括化學吸附在內，因為兩者很難區分。特別是地下水污染中污染物的研究更是如此。

6. 吸附的原理

當液體或氣體混合物與吸附劑長時間充分接觸後，系統達到平衡，吸附質的平衡吸附量（單位質量吸附劑在達到吸附平衡時所吸附的吸附質量），首先取決於吸附劑的化學組成和物理結構，同時與系統的溫度和壓力以及該組分和其他組分的濃度或分壓有關。

對於只含一種吸附質的混合物，在一定溫度下吸附質的平衡吸附量與其濃度或分壓間的函數關系的圖線，稱為吸附等溫線。對於壓力不太高的氣體混合物，惰性組分對吸附等溫線基本無影響；而液體混合物的溶劑通常對吸附等溫線有影響。

同一體系的吸附等溫線隨溫度而改變。溫度愈高，平衡吸附量愈小。當混合物中含有幾種吸附質時，各組分的平衡吸附量不同，被吸附的各組分濃度之比，一般不同於原混合物組成，即分離因子不等於1。吸附劑的選擇性愈好,愈有利於吸附分離。

(6)固體物理吸附如何產生擴展閱讀：

吸附分離實例：

1、氣體或液體的脫水及深度乾燥，如將乙烯氣體中的水分脫到痕量，再聚合。

2、氣體或溶液的脫臭、脫色及溶劑蒸氣的回收，如在噴漆工業中，常有大量的有機溶劑逸出，採用活性炭處理排放的氣體，既減少環境的污染，又可回收有價值的溶劑。

3、氣體中痕量物質的吸附分離，如純氮、純氧的製取。

4、分離某些精餾難以分離的物系，如烷烴、烯烴、芳香烴餾分的分離。

5、廢氣和廢水的處理，如從高爐廢氣中回收一氧化碳和二氧化碳，從煉廠廢水中脫除酚等有害物質。

7. 物理吸附為什麼是放熱過程

物理吸附. 分子間力(范德華力)引起的，無選擇性，在一定溫度、壓力下，物理吸附過程是一個自發過程，由熱力學原理可知，G = H - TS，等溫下有公式：△G = △H - T△S，此過程系統的ΔG<0。同時氣體分子吸附在固體表面，有三維運動表為二維運動，即吸附作用是典型的熵減小過程（吸附質由自由運動狀態到在吸附劑表面定向排列,其混亂度減小），故此過程的TΔS<0。根據ΔG=ΔH-TΔS可得，物理吸附過程的ΔH<0。在一定的壓力下，吸附焓就是吸附熱 ，故物理吸附過程都是放熱過程。

8. 什麼是物理吸附和化學吸附

物理吸附也稱范德華吸附，它是由吸附質和吸附劑分子間作用力所引起，此力也稱作范德華力。由於范德華力存在於任何兩分子間，所以物理吸附可以發生在任何固體表面上。
吸附劑表面的分子由於作用力沒有平衡而保留有自由的力場來吸引吸附質，由於它是分子間的吸力所引起的吸附，所以結合力較弱，吸附熱較小，吸附和解吸速度也都較快。被吸附物質也較容易解吸出來，所以物理吸附在一定程度上是可逆的。如：活性炭對許多氣體的吸附，被吸附的氣體很容易解脫出來而不發生性質上的變化。吸附於固體表面的氣體分子，不與固體產生化學反應，這種吸附稱為物理吸附，物理吸附的特點是：吸附熱小 ，吸附速度快，無選擇性，可逆，通常是發生在接近氣體液化點的溫度，一般是多層吸附。

化學吸附是吸附質分子與固體表面原子（或分子）發生電子的轉移、交換或共有，形成吸附化學鍵的吸附。由於固體表面存在不均勻力場，表面上的原子往往還有剩餘的成鍵能力，當氣體分子碰撞到固體表面上時便與表面原子間發生電子的交換、轉移或共有，形成吸附化學鍵的吸附作用。

化學吸附是物質表面研究領域中一個非常重要的分支，它在催化(尤其是異相催化)、腐蝕、電解、晶體學、金屬學及冶金學等諸多方面都有著重要的應用。人們對化學吸附的研究也是較早的，但是早期的研究由於實驗條件的限制，只能停留在較為基礎的研究水平上。又因理論得不到實驗的證實，使得早期的化學吸附研究發展很慢。20世紀60年代以後，由於固體物理學的發展和成熟以及各種電測技術、超高真空技術及與之相關的表面及薄膜制各技術的迅速發展，各種能譜儀、質譜儀、衍射儀和顯微技術不斷出現並日臻完善，使得人們有條件從原子、分子水平去探究化學吸附現象。從而，使得化學吸附的研究得到迅速的發展，即在理論上，建立了一系列的模型；在實驗上，獲得了大量的實驗數據[1] 。
化學吸附的研究可分為宏觀理論、微觀理論、統計理論三個方面。本文著重從微觀角度對化學吸附進行介紹，因為它可以使人們從更深的層次去認識化學吸附的反應機制，從而使在這方面的研究不但具有理論意義，同時也具有很重要的實際意義。

9. 物理吸附的特徵

物理吸附也稱范德華吸附，它是由吸附質和吸附劑分子間作用力所引起，此力也稱作范德華力。由於范德華力存在於任何兩分子間，所以物理吸附可以發生在任何固體表面上。 吸附劑表面的分子由於作用力沒有平衡而保留有自由的力場來吸引吸附質，由於它是分子間的吸力所引起的吸附，所以結合力較弱，吸附熱較小，吸附和解吸速度也都較快。被吸附物質也較容易解吸出來，所以物理吸附在一定程度上是可逆的。如：活性炭對許多氣體的吸附，被吸附的氣體很容易解脫出來而不發生性質上的變化。吸附於固體表面的氣體分子，不與固體產生化學反應，這種吸附稱為物理吸附，物理吸附的特點是：吸附熱小 ，吸附速度快，無選擇性，可逆，通常是發生在接近氣體液化點的溫度，一般是多層吸附。
同一物質，可能在低溫下進行物理吸附而在高溫下為化學吸附，或者兩者同時進行。吸附作用的大小跟吸附劑的性質和表面的大小、吸附質的性質和濃度的大小、溫度的高低等密切相關。如活性炭的表面積很大，吸附作用強；活性炭易吸附沸點高的氣體，難吸附沸點低的氣體。

吸附質分子與吸附劑表面原子或分子間以物理力進行的吸附作用。這種物理力是范德瓦耳斯力，它包括色散力、靜電力和誘導力。對於極性不大的吸附質和吸附劑，色散力在物理吸附中起主要作用。當極性分子與帶靜電荷的吸附劑表面相互作用，或因吸附質與吸附劑表面分子作用，使二者的電子結構發生變化而產生偶極矩時，定向力和誘導力在物理吸附中也有重要作用。有時吸附質分子與吸附劑表面以形成氫鍵的形式發生物理吸附。