[科普中國(guó)]-化學(xué)吸附

簡(jiǎn)介

化學(xué)吸附是物質(zhì)表面研究領(lǐng)域中一個(gè)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(xué)、金屬學(xué)及冶金學(xué)等諸多方面都有著重要的應(yīng)用。人們對(duì)化學(xué)吸附的研究也是較早的，但是早期的研究由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，只能停留在較為基礎(chǔ)的研究水平上。又因理論得不到實(shí)驗(yàn)的證實(shí)，使得早期的化學(xué)吸附研究發(fā)展很慢。20世紀(jì)60年代以后，由于固體物理學(xué)的發(fā)展和成熟以及各種電測(cè)技術(shù)、超高真空技術(shù)及與之相關(guān)的表面及薄膜制各技術(shù)的迅速發(fā)展，各種能譜僅、質(zhì)譜儀、衍射儀和顯微技術(shù)不斷出現(xiàn)并日臻完善，使得人們有條件從原子、分子水平去探究化學(xué)吸附現(xiàn)象。從而，使得化學(xué)吸附的研究得到迅速的發(fā)展，即在理論上，建立了一系列的模型；在實(shí)驗(yàn)上，獲得了大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)1。

化學(xué)吸附的研究可分為宏觀理論、微觀理論、統(tǒng)計(jì)理論三個(gè)方面。本文著重從微觀角度對(duì)化學(xué)吸附進(jìn)行介紹，因?yàn)樗梢允谷藗儚母畹膶哟稳フJ(rèn)識(shí)化學(xué)吸附的反應(yīng)機(jī)制，從而使在這方面的研究不但具有理論意義，同時(shí)也具有很重要的實(shí)際意義。

特點(diǎn)化學(xué)吸附的主要特點(diǎn)是：僅發(fā)生單分子層吸附；吸附熱與化學(xué)反應(yīng)熱相當(dāng)；有選擇性；大多為不可逆吸附；吸附層能在較高溫度下保持穩(wěn)定等。化學(xué)吸附又可分為需要活化能的活化吸附(activated adsorption)和不需活化能的非活化吸附(non-activated adsorption)，前者吸附速度較慢，后者則較快。

化學(xué)吸附是多相催化反應(yīng)的重要步驟。研究化學(xué)吸附對(duì)了解多相催化反應(yīng)機(jī)理，實(shí)現(xiàn)催化反應(yīng)工業(yè)化有重要意義。吸附特點(diǎn)與物理吸附相比，化學(xué)吸附主要有以下特點(diǎn)：①吸附所涉及的力與化學(xué)鍵力相當(dāng)，比范德華力強(qiáng)得多。②吸附熱近似等于反應(yīng)熱。③吸附是單分子層的。因此可用朗繆爾等溫式描述，有時(shí)也可用弗羅因德利希公式描述。④有選擇性。⑤對(duì)溫度和壓力具有不可逆性。另外，化學(xué)吸附還常常需要活化能。確定一種吸附是否是化學(xué)吸附，主要根據(jù)吸附熱和不可逆性。

機(jī)理可分3種情況：①氣體分子失去電子成為正離子，固體得到電子，結(jié)果是正離子被吸附在帶負(fù)電的固體表面上。②固體失去電子而氣體分子得到電子，結(jié)果是負(fù)離子被吸附在帶正電的固體表面上。③氣體與固體共有電子成共價(jià)鍵或配位鍵。例如氣體在金屬表面上的吸附就往往是由于氣體分子的電子與金屬原子的d電子形成共價(jià)鍵，或氣體分子提供一對(duì)電子與金屬原子成配位鍵而吸附的。

應(yīng)用脈沖化學(xué)吸附，催化劑預(yù)處理、等溫反應(yīng)、BET比表面積。用于催化劑的表征，如金屬分散度、活性金屬表面積、酸中心數(shù)量及強(qiáng)度分布等。

作用在復(fù)相催化中，多數(shù)屬于固體表面催化氣相反應(yīng)，它與固體表面吸附緊密相關(guān)。在這類催化反應(yīng)中，至少有一種反應(yīng)物是被固體表面化學(xué)吸附的，而且這種吸附是催化過程的關(guān)鍵步驟。在固體表面的吸附層中，氣體分子的密度要比氣相中高得多，但是催化劑加速反應(yīng)一般并不是表面濃度增大的結(jié)果，而主要是因?yàn)楸晃椒肿?、離子或基團(tuán)具有高的反應(yīng)活性。氣體分子在固體表面化學(xué)吸附時(shí)可能引起離解、變形等，可以大大提高它們的反應(yīng)活性。因此，化學(xué)吸附的研究對(duì)闡明催化機(jī)理是十分重要的?；瘜W(xué)吸附與固體表面結(jié)構(gòu)有關(guān)。表面結(jié)構(gòu)化學(xué)吸附的研究中有許多新方法和新技術(shù)，例如場(chǎng)發(fā)射顯微鏡、場(chǎng)離子顯微鏡、低能電子衍射、紅外光譜、核磁共振、電子能譜化學(xué)分析、同位素交換法等。其中場(chǎng)發(fā)射顯微鏡和場(chǎng)離子顯微鏡能直接觀察不同晶面上的吸附以及表面上個(gè)別原子的位置，故為各種表面的晶格缺陷、吸附性質(zhì)及機(jī)理的研究提供了最直接的證據(jù)。

區(qū)別普通物體固體表面有吸附水中溶解及膠體物質(zhì)的能力，比表面積很大的活性炭等具有很強(qiáng)的吸附能力，可用作吸附劑。根據(jù)吸附的工作原理，吸附又分為物理吸附和化學(xué)吸附。吸附劑和被吸附物質(zhì)之間通過分子間范德華力產(chǎn)生的吸附，稱為物理吸附；而吸附劑與被吸附物質(zhì)之間產(chǎn)生的化學(xué)作用，生成化學(xué)鍵引起吸附，稱為化學(xué)吸附。離子交換實(shí)際上也是一種吸附。

物理吸附和化學(xué)吸附并非是不相容的，而是隨著外界條件的變化可以相伴發(fā)生，但在一個(gè)系統(tǒng)中，某一種吸附是主要的。而在污水處理中，多數(shù)情況下，往往是幾種吸附的綜合結(jié)果。