固体物理吸附如何产生

1. 什么是物理吸附和化学吸附

气体分子在固体表面的吸附机理极为复杂，其中包含
物理吸附
和
化学吸附
。
由
分子间作用力
（
范德华力
）产生的吸附称为物理吸附。物理吸附是一个普遍的现象，它存在于被带入并接触
吸附气体
（吸附物质）的固体（
吸附剂
）表面。所涉及的分子间作用力都是相同类型的，例如能导致
实际气体
的缺陷和蒸汽的凝聚。除了吸引
色散力
和近距离的排斥力外，由于吸附剂和吸附物质的特定
几何形状
和外层电子性质，通常还会发生特定分子间的相互作用（例如，极化、场-
偶极
、场梯度的四极矩）。
任何分子间都有作用力，所以物理吸附无选择性，
活化能
小，吸附易，
脱附
也容易。它可以是
单分子层吸附
和
多分子层吸附
。
由分子间形成
化学键
而产生的吸附称为化学吸附；它有选择性，活化能大，吸附难，脱附也难，往往需要较高的温度。化学吸附一定是单分子层吸附。
实际吸附可能同时存在物理吸附与化学吸附；先物理吸附后再化学吸附。
吸附量
可以用
标准大气压
下单位质量的样品（吸附剂）上吸附物质（
吸附质
）的体积量度，可以用
ml/g
或
cc/g@STP表示。
在低温下以发生物理吸附为主,
而可能的化学吸附发生在高温下(发生了
特异性反应
).全过程涉及
高真空
,低温,高温,高精度真空量度,阀门按事先设定的程序
自动开关
等问题。

2. 吸附原理是

固体表面有吸附水中溶解及胶体物质的能力，比表面积很大的活性炭等具有很高的吸附能力，可用作吸附剂。吸附可分为物理吸附和化学吸附。如果吸附剂与被吸附物质之间是通过分子间引力(即范德华力)而产生吸附，称为物理吸附；如果吸附剂与被吸附物质之间产生化学作用，生成化学键引起吸附，称为化学吸附。离子交换实际上也是一种吸附，将在第二节中讨论。
物理吸附和化学吸附并非不相容的，而且随着条件的变化可以相伴发生，但在一个系统中，可能某一种吸附是主要的。在污水处理中，多数情况下，往往是几种吸附的综合结果。一定的吸附剂所吸附物质的数量与此物质的性质及其浓度和温度有关。表明被吸附物的量与浓度之间的关系式称为吸附等温式。目前常用的公式有二：弗劳德利希(Freundlich)吸附等温式，朗格缪尔(Langrnuir)吸附等温式。

3. 什么是吸附（是定义）

吸附
吸附是指物质（主要是固体物质）表面吸住周围介质（液体或气体）中的分子或离子现象。

吸附也属于一种传质过程，物质内部的分子和周围分子有互相吸引的引力，但物质表面的分子，其中相对物质外部的作用力没有充分发挥，所以液体或固体物质的表面可以吸附其他的液体或气体，尤其是表面面积很大的情况下，这种吸附力能产生很大的作用，所以工业上经常利用大面积的物质进行吸附，如活性炭、水膜等。吸附过程有两种情况：

物理吸附，在吸附过程中物质不改变原来的性质，因此吸附能小，被吸附的物质很容易再脱离，如用活性炭吸附气体，只要升高温度，就可以使被吸附的气体逐出活性炭表面。

化学吸附，在吸附过程中不仅有引力，还运用化学键的力，因此吸附能较大，要逐出被吸附的物质需要较高的温度，而且被吸附的物质即使被逐出，也已经产生了化学变化，不再是原来的物质了，一般催化剂都是以这种吸附方式起作用。

还有一种可以进行连续操作的分子筛，物料连续进入填充床，分子筛可以只吸附固定体积的分子，再释放，而将体积过大的分子拦住，石油气和天然气的分离经常采用这种方式。

吸附作用是催化、脱色、脱臭、防毒等工业应用中必不可少的单元操作。

4. 物理吸附发生时化学吸附一定会发生吗化学吸附的条件有哪些，请列举出来

物理吸附发生时，化学吸附不一定会发生。但发生化学吸附时，一定发生了物理吸附。

反应物分子能否发生化学吸附取决于分子能否达到过渡态，即反应物分子应当具有比吸附活化能（Ea）大的能量需要在一定的反应温度下，提高
反应物分子的能量，使其大于Ea，从而保证反应物分子由物理吸附过渡到化学吸附，进行催化反应。

氢分子在镍表面上的吸附位能曲线

5. 吸附种类和吸附机理

按吸附现象产生的原因而言，可分为物理吸附及化学吸附。

（一）物理吸附

固体颗粒表面电荷的不均衡，往往使其带电荷。按其电荷的性质可分为永久电荷和可变电荷。

永久电荷是矿物晶格内的同晶替代所产生的电荷。例如，粘土矿物的结构为硅四面体和铝八面体，四面体内的硅和八面体内的铝均可被与其直径大小相近的离子所替代；四价的Si⁴⁺可被三价的Al³⁺所替代，而三价的Al³⁺可被二价的Mg²⁺所替代，这样的结果，使颗粒表面电荷产生了不均衡，使其呈现出负电性。由于同晶替代是在粘土矿物形成时产生的，并且是在粘土晶格的内部，因此一旦产生这种电荷就不会改变，具有永久性质，故称永久电荷。蒙脱石和伊利石的同晶替代较多，所以它们的表面电荷以永久电荷为主；而高岭石则不同，它的同晶替代少，其主要的表面电荷另有来源。

可变电荷是颗粒表面产生化学解离形成的，其表面电荷的性质（正电荷或负电荷）及数量往往随介质的pH值的改变而变化，所以称为可变电荷。例如某些胶体颗粒表面分子或原子团的解离：

（1）二氧化硅胶体和含水二氧化硅胶体的解离

水文地球化学基础

（2）粘土矿物颗粒晶面上的OH基中H⁺的解离

水文地球化学基础

高岭石晶体表面的OH基较多，所以它的表面电荷以可变电荷为主。

（3）氢氧化铁及氢氧化铝表面分子OH基的解离

Fe（OH）₃→Fe（OH）^2--+OH^-

A1（OH）₃→Al（OH）²⁺+H⁺

（4）腐殖质上某些原子团的解离

水文地球化学基础

上述谈到颗粒表面电荷形成的机理。由于固体颗粒表面带电荷，所以在固液相接触时。便会发生靠固体表面静电引力吸附液相异性离子的现象，这种现象称为物理吸附。

物理吸附的特点是，其吸附的键联力为静电引力，键联力较弱，因此已吸附在颗粒表面的离子，在一定条件下，可被液体中另一种离子所替换，所以物理吸附也称为“离子交换”。被吸附离子的电性，取决于表面电荷的电性，颗粒表面带负电荷，吸附阳离子，称为阳离子吸附，或阳离子交换；颗粒表面带正电荷，吸附阴离子，称为阴离子吸附，或阴离子交换。物理吸附这个表面反应是一种可逆反应，可用质量作用定律来描述。

（二）化学吸附

化学吸附不是依赖于静电引力发生的，液相中的离子是靠键力强的化学键（如共价键）结合到固体颗粒表面的；被吸附的离子进入颗粒的结晶格架，成为晶格的一部分，它不可能再返回溶液，是一种不可逆反应。这种现象也称为“特殊吸附”。产生化学吸附的一个基本条件是，被吸附离子直径与晶格中网穴的直径大致相等，例如，K⁺的直径为266pm（2.66Å），硅铝酸盐胶体晶格网穴直径为280pm（2.80Å），它们的直径大致相等，所以K⁺可被吸附到胶体的晶格里。

在实际研究中，要区分物理吸附及化学吸附是十分困难的；而物理吸附要比化学吸附普遍。因此，目前研究最多的是物理吸附，而且物理吸附的研究，实际上也包括化学吸附在内，因为两者很难区分。特别是地下水污染中污染物的研究更是如此。

6. 吸附的原理

当液体或气体混合物与吸附剂长时间充分接触后，系统达到平衡，吸附质的平衡吸附量（单位质量吸附剂在达到吸附平衡时所吸附的吸附质量），首先取决于吸附剂的化学组成和物理结构，同时与系统的温度和压力以及该组分和其他组分的浓度或分压有关。

对于只含一种吸附质的混合物，在一定温度下吸附质的平衡吸附量与其浓度或分压间的函数关系的图线，称为吸附等温线。对于压力不太高的气体混合物，惰性组分对吸附等温线基本无影响；而液体混合物的溶剂通常对吸附等温线有影响。

同一体系的吸附等温线随温度而改变。温度愈高，平衡吸附量愈小。当混合物中含有几种吸附质时，各组分的平衡吸附量不同，被吸附的各组分浓度之比，一般不同于原混合物组成，即分离因子不等于1。吸附剂的选择性愈好,愈有利于吸附分离。

(6)固体物理吸附如何产生扩展阅读：

吸附分离实例：

1、气体或液体的脱水及深度干燥，如将乙烯气体中的水分脱到痕量，再聚合。

2、气体或溶液的脱臭、脱色及溶剂蒸气的回收，如在喷漆工业中，常有大量的有机溶剂逸出，采用活性炭处理排放的气体，既减少环境的污染，又可回收有价值的溶剂。

3、气体中痕量物质的吸附分离，如纯氮、纯氧的制取。

4、分离某些精馏难以分离的物系，如烷烃、烯烃、芳香烃馏分的分离。

5、废气和废水的处理，如从高炉废气中回收一氧化碳和二氧化碳，从炼厂废水中脱除酚等有害物质。

7. 物理吸附为什么是放热过程

物理吸附. 分子间力(范德华力)引起的，无选择性，在一定温度、压力下，物理吸附过程是一个自发过程，由热力学原理可知，G = H - TS，等温下有公式：△G = △H - T△S，此过程系统的ΔG<0。同时气体分子吸附在固体表面，有三维运动表为二维运动，即吸附作用是典型的熵减小过程（吸附质由自由运动状态到在吸附剂表面定向排列,其混乱度减小），故此过程的TΔS<0。根据ΔG=ΔH-TΔS可得，物理吸附过程的ΔH<0。在一定的压力下，吸附焓就是吸附热 ，故物理吸附过程都是放热过程。

8. 什么是物理吸附和化学吸附

物理吸附也称范德华吸附，它是由吸附质和吸附剂分子间作用力所引起，此力也称作范德华力。由于范德华力存在于任何两分子间，所以物理吸附可以发生在任何固体表面上。
吸附剂表面的分子由于作用力没有平衡而保留有自由的力场来吸引吸附质，由于它是分子间的吸力所引起的吸附，所以结合力较弱，吸附热较小，吸附和解吸速度也都较快。被吸附物质也较容易解吸出来，所以物理吸附在一定程度上是可逆的。如：活性炭对许多气体的吸附，被吸附的气体很容易解脱出来而不发生性质上的变化。吸附于固体表面的气体分子，不与固体产生化学反应，这种吸附称为物理吸附，物理吸附的特点是：吸附热小 ，吸附速度快，无选择性，可逆，通常是发生在接近气体液化点的温度，一般是多层吸附。

化学吸附是吸附质分子与固体表面原子（或分子）发生电子的转移、交换或共有，形成吸附化学键的吸附。由于固体表面存在不均匀力场，表面上的原子往往还有剩余的成键能力，当气体分子碰撞到固体表面上时便与表面原子间发生电子的交换、转移或共有，形成吸附化学键的吸附作用。

化学吸附是物质表面研究领域中一个非常重要的分支，它在催化(尤其是异相催化)、腐蚀、电解、晶体学、金属学及冶金学等诸多方面都有着重要的应用。人们对化学吸附的研究也是较早的，但是早期的研究由于实验条件的限制，只能停留在较为基础的研究水平上。又因理论得不到实验的证实，使得早期的化学吸附研究发展很慢。20世纪60年代以后，由于固体物理学的发展和成熟以及各种电测技术、超高真空技术及与之相关的表面及薄膜制各技术的迅速发展，各种能谱仪、质谱仪、衍射仪和显微技术不断出现并日臻完善，使得人们有条件从原子、分子水平去探究化学吸附现象。从而，使得化学吸附的研究得到迅速的发展，即在理论上，建立了一系列的模型；在实验上，获得了大量的实验数据[1] 。
化学吸附的研究可分为宏观理论、微观理论、统计理论三个方面。本文着重从微观角度对化学吸附进行介绍，因为它可以使人们从更深的层次去认识化学吸附的反应机制，从而使在这方面的研究不但具有理论意义，同时也具有很重要的实际意义。

9. 物理吸附的特征

物理吸附也称范德华吸附，它是由吸附质和吸附剂分子间作用力所引起，此力也称作范德华力。由于范德华力存在于任何两分子间，所以物理吸附可以发生在任何固体表面上。 吸附剂表面的分子由于作用力没有平衡而保留有自由的力场来吸引吸附质，由于它是分子间的吸力所引起的吸附，所以结合力较弱，吸附热较小，吸附和解吸速度也都较快。被吸附物质也较容易解吸出来，所以物理吸附在一定程度上是可逆的。如：活性炭对许多气体的吸附，被吸附的气体很容易解脱出来而不发生性质上的变化。吸附于固体表面的气体分子，不与固体产生化学反应，这种吸附称为物理吸附，物理吸附的特点是：吸附热小 ，吸附速度快，无选择性，可逆，通常是发生在接近气体液化点的温度，一般是多层吸附。
同一物质，可能在低温下进行物理吸附而在高温下为化学吸附，或者两者同时进行。吸附作用的大小跟吸附剂的性质和表面的大小、吸附质的性质和浓度的大小、温度的高低等密切相关。如活性炭的表面积很大，吸附作用强；活性炭易吸附沸点高的气体，难吸附沸点低的气体。

吸附质分子与吸附剂表面原子或分子间以物理力进行的吸附作用。这种物理力是范德瓦耳斯力，它包括色散力、静电力和诱导力。对于极性不大的吸附质和吸附剂，色散力在物理吸附中起主要作用。当极性分子与带静电荷的吸附剂表面相互作用，或因吸附质与吸附剂表面分子作用，使二者的电子结构发生变化而产生偶极矩时，定向力和诱导力在物理吸附中也有重要作用。有时吸附质分子与吸附剂表面以形成氢键的形式发生物理吸附。