5气体在固体表面的吸附
固体表面的物理吸附和化学吸附 Word 文档
1．这种吸附包括对电解质吸附和非电解质吸附：对电解质吸附将使固体表面带电或电双层中组分发生变化，也可能是溶液中的某些离子被吸附到固体表面，而固体表面的离子则进入溶液之中，产生离子交换作用。
对非电解质吸附，一般表现为单分子层吸附，吸附层以外就是本体相溶液。
2．溶液有溶质和溶剂，都可能被固体吸附，但被吸附的程度不同。
正吸附：吸附层内溶质的浓度比本体相大。
负吸附：吸附层内溶质的浓度比本体相小。
显然，溶质被正吸附时，溶剂必被负吸附，反之亦然。
在稀溶液中，可以将溶剂的吸附影响忽略不计，可以简单的如气体吸附一样处理溶质的吸附，但在浓度较大时，则必须同时考虑二者的吸附.3．固体表面的粗糙度及污染程度对吸附有很大的影响，液体表面张力的影响也很重要。
图2-4给出了表面张力和接触角的关系（点击放大），图中：θ为接触角，图2－4 表面张力与接触角的关系当θ<90o时，为润湿。
θ越小，润湿性越大，液体在表面的展开能力越强。
当θ=0o时，为完全润湿。
液体在表面完全铺展开来当θ>90o时，为不润湿。
θ越大，润湿性越小，液体越不易铺展开，易收缩为球状。
当θ=180o时，完全不润湿,为球状。
θ角的大小。
与界面张力有关:γs=γL cosθ+γsL 其中：γs为固体表面张力；γL为液体表面张力；γsL为固体和液体界面张力。
该方程叫做Yong方程式。
它表明接触角的大小与三相界面之间的定量关系。
因此，凡是能引起任一界面张力变化的因素都能影响固体表面的润湿性。
从上式可以看到：当γs>γsL时，则cosθ>0为正值，θ<90°，此时为润湿；而且γs与γsL相差越大，θ角越小，润湿性越好。
当γs<γsL时，则cosθ<0为负值，θ>90°，此时不润湿；而且γs越大和γsL越小时，θ角越大，不润湿程度越严重。
应当指出的是，上面的平衡式仅适用于固、液、气三相的稳定接触的情况。
气体吸附原理
气体吸附原理气体吸附是指气体分子在固体表面上附着的现象，它是一种重要的物理化学过程，广泛应用于化工、环保、能源等领域。
气体吸附原理是指气体分子在与固体表面相互作用时，通过吸附作用在固体表面上形成一层吸附层的过程。
气体吸附过程是一个复杂的物理化学过程，它受到多种因素的影响。
其中，最重要的是吸附剂的性质和气体分子的性质。
吸附剂的性质包括孔径大小、孔隙结构、化学成分等，而气体分子的性质则包括分子大小、极性、化学活性等。
这些因素共同作用，决定了气体在固体表面上的吸附行为。
气体吸附过程可以分为物理吸附和化学吸附两种类型。
物理吸附是指气体分子与吸附剂表面之间的范德华力作用，它是一种弱相互作用力，通常发生在低温下。
而化学吸附则是指气体分子与吸附剂表面发生化学键结合的过程，它是一种强相互作用力，通常发生在高温下。
在气体吸附过程中，吸附剂的孔隙结构对吸附性能起着至关重要的作用。
孔隙结构可以影响吸附剂的比表面积、孔体积和孔径分布等参数，从而影响气体分子在吸附剂表面上的扩散和吸附速率。
通常情况下，孔径越小，吸附剂的比表面积和孔体积越大，气体分子在其表面上的吸附性能也越好。
此外，气体分子的性质也对气体吸附过程产生重要影响。
一般来说，分子大小越小、极性越大、化学活性越高的气体分子，其在固体表面上的吸附性能也越好。
这是因为这些气体分子更容易与吸附剂表面发生相互作用，从而形成稳定的吸附层。
在工业应用中，气体吸附技术被广泛应用于气体分离、气体储存、气体检测等领域。
例如，在天然气净化过程中，气体吸附技术可以有效去除天然气中的杂质气体，提高天然气的纯度。
在气体储存领域，气体吸附技术可以将气体分子吸附到多孔吸附剂中，实现气体的高效储存和释放。
总之，气体吸附原理是一个复杂而重要的物理化学过程，它受到多种因素的影响。
通过深入研究气体吸附原理，可以更好地理解气体分子在固体表面上的吸附行为，为气体吸附技术的应用和发展提供理论基础和技术支持。
2013复习题
《催化原理》复习题一．填空1.“催化作用”一词最早是由瑞典化学家_________于_________年提出的。
2．在已开发的使用催化剂中，有四类催化剂最具特色，它们分别是_________，_________，_________和_________。
3．在同一个化学反应中，之所以有不同的选择性有以下三种原因，第一个原因是由于_________导致的，第二个原因是由于_________引起的，第三个原因是由于_________造成的。
4．气体在固体表面的吸附可分为两类：_________和_________。
化学吸附类似于化学反应，吸附后，反应物分子与催化剂表面原子之间形成_________，组成表面络合物。
在多相催化过程中，化学吸附是个重要的阶段，催化过程之所以能加快反应速度，一般来说，是由于_________。
5．Langmuir吸附等温式所依据的模型是①___ ______ ②__ _______ ③______ ___ ④____ _____。
6．高活性催化剂常易被外来分子污染而中毒，那些具有_________的分子，如氨、磷化氢、一氧化碳、二氧化硫、硫化氢等分子能与催化剂表面形成_________，因此这些分子是毒性很强的毒物。
7．一个好的固体催化剂必须具有_________；_________ ；________和_________。
8．氧化铝按晶型可分为八种，所有这些氧化铝都是用希腊字母来命名的。
它们可归纳为两大类，低温氧化铝（在低于6000C煅烧而得），包括_________四种；高温氧化铝（在高于6000C煅烧而得），包括_________四种；_________为终态，俗称刚玉。
9．分子筛的基本结构单元是硅氧四面体。
_________原子在四面体的中心，_________占据四面体的顶点。
四面体中的_________原子可被_________原子取代，便成为铝氧四面体。
10．由于人类生产实践的不断扩大，在地球范围内，催化剂出现了许多新的应用领域，这些新的应用领域主要是_________；_________；_________；_________。
第五章_固体表面吸附(固-气界面吸附)
③化学吸附具有选择性
如：CO在金属表面上的吸附
O C MM
OO CC MM
NO + 1/2O2 CH2=CH2 + 1/2O2
NO2 O
NO只在Pt上吸附 只用Ag作催化剂。
无选择性；吸附热与气体凝聚热相近；吸附速度快；多层吸附。
（2）相互作用势能
设 f 代表作用力，r 为粒子间距离，U(r)为粒子间相互作用势能，有：
f U (r) r
或
r
U(r)
f dr
永久偶极矩相互作用势能为：
U (r)
2 3
12 22
3k Tr 6
诱导偶极矩相互作用势能为：
Ui(r)
( i 2 12
使体相中某些组分在表面区产生富集的现象。 其特点为组成随表面吸附质不同而变化。
如：Ag-Pd合金，吸附CO时，体相中的Pd可通过扩散到达 表面与CO形成羰基键，从而使表面富Pd。除去CO后，表面 组成由回到原来的状态。
第二节 物理吸附和化学吸附
1、物理吸附与Lennard-Jone势能曲线
（1）物理吸附特点
S
RT
则：
p
或： bp
b(1 )
1 bp
若有两种气体存于表面而发生竞争吸附时：
则：
A
பைடு நூலகம்
bA pA 1 bA pA bB
pB
B
bB pB 1 bA pA bB
pB
如果吸附解离成两个碎片，且各占据一个吸附位置，则：
f ( ) (1 )2 f '( ) 2
固气界面上的吸附作用PPT讲稿
容量法测定气体吸附
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容量法测定气体吸附
从贮气瓶4中放出一 定量气体，用压力计读 出压力；再打开样品管 活塞，达吸附平衡后再 读取压力。
从压差的变化，用气体状态方程可计算吸附量。 用量气管中水银液面的升降，调节系统中的压力和体 积，可得到不同压力下的吸附量，从而可绘出吸附等 温线。
体积要换算成标准状况(STP) (2)单位质量的吸附剂所吸附气体物质的量。
q n / m 单位：mol g-1
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吸附量与温度、压力的关系
对于一定的吸附剂与吸附质的体系，达到吸附 平衡时，吸附量是温度和吸附质压力的函数，即：
q f (T, p)
通常固定一个变量，求出另外两个变量之间的 关系，例如：
正由于固体表面原子受力不对称和表面结构不 均匀性，它可以吸附气体或液体分子，使表面自由 能下降。而且不同的部位吸附和催化的活性不同。
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一、固体表面的特性
①发生化学吸附的原因位于固体表面原子的配位状 态与本体不同——具有自由价，配位数小于固体 内原子的配位数；每个表面原子受到一种内向的 净作用力，将扩散到其附近的气体分子吸附并形 成化学键
在测定固体的吸附量之前，必须将固体表面原有 吸附的气体和蒸汽脱附。脱附过程一般在加热和真空 的条件下进行，真空度在0.01Pa以下脱附2小时，加 热的温度根据吸附剂的性质而定，防止温度太高而影 响吸附剂的结构。
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重量法测定气体吸附
实验装置如图。将吸附剂放在 样品盘3中，吸附质放在样品管4中。 首先加热炉子6，并使体系与真空装 置相接。到达预定温度和真空度后， 保持2小时，脱附完毕，记下石英弹 簧2下面某一端点的读数。
固体表面吸附
③取向力 具有偶极而无附加极化作用的两个不同分子的 电偶极矩间有静电相互作用，此作用力称之为取向力。 其性质、大小与电偶极矩的相对取向有关。
2.化学吸附力 化学吸附与物理吸附的根本区别是吸附质与吸附剂之 间发生了电子的转移或共有，形成了化学键，称为 “吸附键”。吸附键的主要特点是吸附质粒子仅与一 个或少数数个吸附剂表面原子相键合。 关于化学吸附力提出了许多的模型，包括定域键模型、 表面分子模型、表面簇模型等。这些模型具有一定的 适用性，也有一定的局限性。
固体表面原子的扩散
扩散
扩散现象：例如在房间的某处打开一瓶香水， 慢慢在其他地方可以闻到香味，在清水中滴入一 滴墨水，在静止的状态下可以看到他慢慢的扩散。
扩散：由构成物质的微粒(离子、原子、分子) 的热运动而产生的物质迁移现象称为扩散。扩散 的宏观表现是物质的定向输送。
固体表面上的扩散包括两个方向的扩散：一是平 行表面的运动；二是垂直表面向内部的扩散运动。通 过平行表面的扩散可以得到均质的、理想的表面强化 层；通过向内部的扩散，可以得到一定厚度的合金强 化层，有时候希望通过这种扩散方式得到高结合力的 涂层。
表面化合物的形成引起的表面原子重组现象是非常普遍的。
表面化合物在底物上的二维点阵一般是比较复杂的。因为 表面化合物有一定的比例，如果化合比是1：1，构成比较 简单，如果尺寸允许，被吸附粒子构成（1×1）结构既可。 但如果化合物比是1：2、1：3，甚至更复杂，点阵就复杂 了。
表面化学反应是指吸附物质与固体相互作用形成了一种新 的化合物。此时无论是吸附质还是吸附剂都发生了根本变 化。
蒸汽压。
第五节 固体表面化学反应
1.固体表面层的结构
研究实际表面结构时，可将清洁表面作为基底，然后 观察吸附表面结构相对于清洁表面的变化。吸附物质 可以是环境中外来原子、分子或化合物，也可是来自 体内扩散出来的物质。吸附物质在表面简单吸附，或 外延形成新的表面层，或进入表面层一定深度。
固体表面对气体的吸附
若以Γm（或Vm）代表单分子层饱和吸附时的吸附量（或饱和 吸附时的气体体积），Γ（或V）代表压力为p时的实际吸附量
（或实际吸附气体体积），代入上式得：
bp Γ Γm 1 bp 或
V
Vm
bp 1 bp
四、兰格缪尔吸附等温式
（二）兰格缪尔吸附等温式的物理意义及应用
兰格缪尔吸附等温式只适用于单分子层吸附，较好地表示 典型的吸附等温式在不同压力范围内的特征：
二、吸附等温线
吸附等温线（absorption isotherm curve）：温度恒定
时，吸附质平衡分压p与吸附量Γ之间的关系曲线。
吸附等温线大致有如下五种类型：
图中纵坐标代表吸附量，横坐标为相对压力。
三. 弗仑因德立希吸附等温式
弗仑因德立希吸附等温式（Freundlich absorption isotherm） 描述单分子层吸附等温线的经验公式
五、多分子层吸附理论—BET公式
在兰格缪尔吸附理论的基础上，1938 年布鲁诺（Brunauer）、埃米(Emmet) 和泰勒(Teller)三人提出了多分子层的气 固吸附理论，简称BET吸附理论。
BET理论的假设： 吸附为多分子层的； 第一层吸附是固体表面分子与吸附质分子之间的分子间力， 从第二层以后的各层吸附是吸附质分子之间的分子间力，因此 第一层和其它各层的吸附热不同； 吸附和解吸附均发生在最外层。 此外，还假定第一层吸附未饱和之前，也可能发生多分子层 吸附；当吸附达到平衡时，其吸附量等于各层吸附量的总和。
五、多分子层吸附理论—BET公式
在上述假定的基础上，用统计方法得出如下关系：
Cp
V Vm ( p * p)1 (C 1) p / p *
式中V 代表平衡压力 p 时的吸附量，Vm代表在固体表面上 铺满单分子层时所需气体的体积，为实验温度下气体的饱和蒸 气压，C是与吸附热有关的常数。
固气界面吸附
固气界面吸附吸附是指流体（气体或液体）与固体多孔物质接触时，流体中的一种或多种组分传递到多孔物质外表面和微孔内表面并附着在这些表面上形成单分子层或多分子层的过程。
固体表面的特点和液体一样，固体表面上的原子或分子的力场也是不均匀的，所以固体表面也有表面张力和表面能。
但由于固体分子或原子不能自由移动，因此它表现出以下的特点：1固体表面分子（原子）移动困难固体表面不像液体那样易于收缩和变形，因此固体表面张力的直接测定比较困难。
任何表面都有自发降低表面能的倾向，由于固体表面维于收缩，所以只能靠降低表面张力的方法来降低表面能，这也是固体表面能产生吸附作用的根本原因。
2固体的表面是不均匀的从原子水平上看，固体的表面是不规整的，存在多种位置，有附加原子，台阶附加原子，平台，平台空位，扭结原子等等。
这些表面原子的差异，主要表现在它们的配位数的不同。
这些不同类型的原子，它们的化学行为也不相同，吸附热和催化活性差异很大。
另外，表面态能级分布是不均匀的，不同于均匀的体内电子态。
3固体表面层的组成不同于体相内部固体表面除在原子排队布及电子能级上与体相有明显不同外，其表面化学组成也往往与体相存在很大的差异。
由多种元素组成的固体，由于具有趋势向于最小表面自由能及吸附质的作用，使某一元素的原子从体相向表层迁移，从而使它在表层中含量高于在体相的含量，这种现象称为表面偏析。
它不仅与固体的种类及所暴露出的晶面有关，还受环境气氛的影响。
总之，固体表面结构和组成的变化，将直接影响到它的使用性能，吸附行为和催化作用等。
吸附等温线当气体在固体的表面发生吸附时，固体叫做吸附剂，气体叫做吸附质。
在发生气固吸附时，在一定的条件下（T，p），单位质量的固体在达到吸附平衡时，吸附气体的体积V（换算成标准状态下（STP）或物质的量称为吸附量q。
如q=V/m实验表明，对于给定的系统（即一定的吸附剂与一定的吸附质），达到吸附平衡时的吸附量与温度和压力有关，即q=f(T,P)在固定一个变量时，可以有三种吸附曲线，这三种吸附曲线是相互联系的，从一种吸附曲线可以得到另一种吸附曲线。
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该式表明，固体的表面张力包括两部分：
一部分是表面能的贡献，可以认为是由体相分子 变成表面层分子，新增表面分子数目而引起的吉 布斯函数的变化；
另一部分是由表面积的变化而引起表面能改变的 贡献，可以理解为表面分子间距离的改变而引起 的Gs变化，从而引起体系的吉布斯函数的变化。
近固体表面，然后在曲线PP’和曲线CC’的交叉点O
上由物理吸附转为化学吸附。交叉点O的高度是化
学吸附的活化能Ea。显然E比X2的解离能D小得多。
若化学吸附的活化能较高，则低温时化学吸附速率
很慢，以致不能发生，实际上只能观察到物理吸附。
所以说，物理吸附是化学吸附的前奏。
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后，固体内部并不发生变化。有时这些过程是不
易区分的，如吸附的气体分子可能会扩散到固体
体相中，即溶解，于是将这种情况笼统地称为吸
着。
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5.3 气体在固体表面上的吸附
气体物质在固体表面上浓集的现象称为气体 在固体表面上的吸附。
被吸附的物质称为吸附物(或吸附质); 具有吸附能力的固体称为吸附剂
τ1=τ2＝γs。
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5.2.3表面张力与表面能
在一定温度压力下形成固体表面面积为A时， 体系的吉布斯函数增量为d(AGs)，它等于反 抗表面张力所需的可逆功。
或
dAsG sdA
A dG sG sdAsdA
所以
s
Gs
AGs A
式中，q1与q2分别是第一层的吸附热和吸附质 的液化热。如果能得到C值，并从物化数据手
册查得吸附质的液化热，就可计算出q1。Vm 的意义与Langmuir吸附等温式中相同。
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5.3.2吸附曲线和吸附热力学
(1)吸附平衡与吸附量 气相中的气体分子可以被吸附到固体表面上来，已
被吸附的分子也可以脱附(或叫解吸)而回到气相。 在温度和吸附质的分压恒定的条件下，当吸附速率
与脱吸附速率相等时，即单位时间内被吸附到固体 表面上的量与脱吸附回到气相的量相等时，达到吸 附平衡。此时固体表面上的吸附量不再随时间而变。 吸附平衡是一种动态平衡。
吸附等温式，原因是不符合其单分子层吸附 假设，尤其是物理吸附，大多数是多分子层 吸附。
1938年，Brunauer、Emmett和Teller三人在
Langmuir单分子层吸附理论的基础上，提出
了多分子层吸附理论，简称BET吸附理论，
其导出公式称为BET吸附等温式。
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在达到吸附平衡条件下，单位质量的吸附剂所吸附 气体的物质的量x或换算成气体在标准状态下所占的 体积V，称为吸附量，以a表示
a x 或aV
m
m
式中，m为吸附剂的质量。
吸附量与吸附剂和吸附质的本性、温度及达到吸附
平衡时吸附质的分压等。因此可有不同的表示方法。
BET理论的基本假设：
①吸附可以是多分子 层的。该理论认为， 在物理吸附中，不仅
吸附质与吸附剂之间
有范德华引力，而且
吸附质之间也有范德 华引力。因此，气相 中的分子若碰在被吸
附分子上，也有可能
被吸附。所以吸附是 多分子层的。
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②固体表面是均匀的。多层吸附中，各层都 存在吸附平衡，此时吸附速率和脱附速率相 等，不必上层吸附满了才吸附下层。
被吸附的分子问无相互作用力。被吸附分子脱附时，不 受邻近吸附分子的影响。
吸附剂表面是均匀的，表面上各吸附位置的能量相同。
吸附平衡是动态平衡。
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值得注意的是，物质与固体接触之后，还可 能发生其他的过程，如化学反应或吸收。
(1)气体与固体发生化学反应,这是体相效应，
即达化学平衡后，固体体相中处处的组成是 相同的。
(2)气体在固体中发生吸收作用，实质就是溶 解，这也是体相效应。
(3)吸着/吸附
与上述两种现象不同，吸附是表面效应，吸附之
过程是放热的。
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5.3.4吸附量的测定方法
吸附量的测定，一般是在一定温度下将吸附剂置于 吸附质气体中，达到吸附平衡后，测定吸附平衡分 压和吸附量。分别测出不同吸附平衡分压和对应的 吸附量，就可以得到吸附等温线。
吸附量的测定方法分动态法和静态法。动态法中又
有常压流动法和色谱法等。静态法中又分容量法和
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To BET
5.4.1 Henry吸附等温式 当吸附量V和平衡压力p满足过原点直线关系时，吸
附式：
V kp
k是Henry常数。 任何等温线在低压时都接近于直线，都近似符合
Henry吸附式。
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5.4.2 Langmuir吸附等温式
气体在固体表面 上的吸附
内容
固体表面的特点 固体表面能与表面张力 气体在固体表面上的吸附 吸附等温式 多孔性固体的吸附 影响气固界面吸附的因素
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固气界面是研究固体对气体或蒸气的吸附作 用
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5.1固体表面的特点
固体表面的粗糙性
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5.2.4 固体表面的吸附、吸收与吸着 固体表面的吸附作用是表面能存在所引起的
一种普遍存在的现象。因为固体不能像液体 那样改变表面形状、缩小表面积、降低表面 能，但可利用表面分子的剩余力场来捕捉气 相或液相中的分子，降低表面能以达到相对 稳定状态。
吸附作用使固体表面能降低，是自发过程， 因而难以获得真正干净的固体表面。
重量法等。
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重量法
优点：石英弹簧与许多气 体不作用，在一定范围内 石英弹簧的伸长与质量成 正比，弹簧弹性恢复好， 不随温度和时间而变。所 得到的数据有较好的准确 度和精密度。
缺点：达吸附平衡所需时 间长，仪器装置比较复杂， 且需要真空系统。
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5.4.3 Freudlich 吸附等温式
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5.4.4 BET吸附等温式 由前所述，许多吸附等温线不符合Langmuir
③除第一层以外，其余各层的吸附热等于吸 附质的液化热。
④各吸附层中，吸附质在同一层上无相互作
用。
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根据以上假设，推导了BET吸附等温式。
Vp0p1 Vm C C p1)(p/p0
该式又称为二常数公式，常数是Vm和C，C的
物理意义是
Ceq1q2/(R)T
化学吸附
作用力 范德华力
化学键力
吸附热 较小,近于气体凝结热 较大，近于化学反应热
选择性 稳定性
无选择性，易液化者易被 有选择性 吸附
不稳定，易解吸
比较稳定，不易解吸
吸附分子 层子层或多分子层
单分子层
较快，不受温度影响，易 较慢，需活化能，升温
达平衡
速率加快
Langmuir在1916年第一个发表了关于气体在固体表 面上吸附的理论，并推导出单分子层吸附等温式。
Langmuir的基本假设：
气体在固体表面上的吸附是单分子层的。因此只有当气 体分子碰到固体的空白表面时才能被吸附，如果碰到已 被吸附的气体分子上则不发生吸附。后者的碰撞是弹性 碰撞，前者是非弹性碰撞。
固体分子几乎是不可动的，固体的表面难以变形，保持它在表面形
成时的形态，表现出表面凸凹不平。即使经过抛光的，看似平滑的 固体表面，经放大后观察，仍是凸凹不平的。
固体表面的不完整性
实验证明，几乎所有的晶体及其表面都会因为多种原因而呈现不完 整性。晶体表面的不完整性主要有表面点缺陷、非化学比及位错等。
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(2)吸附曲线 （Adsorption Curve）
吸附曲线是反映吸附量a与温度T和吸附平衡分压p 三者之间关系的曲线。分为3类：
a，吸附等压线 (Adsorption isobar)
是当吸附质的平衡分压一定时，吸附量与温度之间的关 系曲线。
由图可见，在低温下往往发生的是物理吸附，高温下发 生的是化学吸附。虚线是物理吸附向化学吸附转变而未 达吸附平衡的状态。
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5.4 吸附等温式
由于吸附剂与吸附质之间作用力的不同，以 及吸附剂表面状态的差异，所以吸附等温线 不同，根据实验结果大致有6种类型，图中p0 表示在吸附温度下，吸附质的饱和蒸气压。
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