最新物理吸附和化学吸附的异同
物理吸附
应用
应用
物理吸附在化学工业、石油加工工业、农业、医药工业、环境保护等部门和领域都有广泛的应用，最常用的 是从气体和液体介质中回收有用物质或去除杂质，如气体的分离、气体或液体的干燥、油的脱色等。物理吸附在 多相催化中有特殊的意义，它不仅是多相催化反应的先决条件，而且利用物理吸附原理可以测定催化剂的表面积 和孔结构，而这些宏观性质对于制备优良催化剂，比较催化活性，改进反应物和产物的扩散条件，选择催化剂的 载体以及催化剂的再生等方面都有重要作用。
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，同单分子层吸附；吸附热与化学反应热相当；有选择性；大多为不可逆吸附； 吸附层能在较高温度下保持稳定等。化学吸附又可分为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)，前者吸附速度较慢，后者则较快。
简介
简介
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。
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。
物理吸附和化学吸附
哈尔滨商业大学食品工程学院
应用：
物理吸附在化学工业、石油加工工业、农业、医药工业、环境保护 等部门和领域都有广泛的应用。
最常用的是从气体和液体介质中回收有用物质或去除杂质，如气体 的分离、气体或液体的干燥、油的脱色等。
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2、化 学 吸 附
化学吸附：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（原子或离子相结合的能力）的吸附。简 单说是固体表面与被吸附物间的化学键力起作用的结果。可看做化学反 应。
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4.5离子交换的应用
（2）在硬水软化中的应用 水的软化是去除水中Ca2+，Mg2+ ，通过Na型阳离子交换柱使水中Ca2+，Mg2+ 与Na+交换，使其保留在树脂上。
C a2+
2R SO 3-N a+ + M g2+
2H C O 3SO 422C l-
C a2+
2R SO 3M g2+
代号
分类名称
0
强酸
1
弱酸
2
强碱
3
弱碱
4
螯合
5
两性
6
氧化还原
功能基
说明
-SO3H
-COOH,-PO3H3
-N+(CH3)3 ,
-N+
(CH3)2
CH2CH2OH
-N H 2,-N H R ,-N R 2
H2C
CH2COOH N
CH2COOH
(-N + (C H 3 )3 , -C O O H )
(-CH2SH)
（1）阴离子交换树脂
第八章-化学吸附
§8-7 化学吸附机制
发生化学吸附时，表面原子和吸附质 点间会形成化学键。多数情况，气体化学 吸附在金属上时形成共价键或配位键，吸 附在氧化物上形成离子键。
化学吸附分子结构和键型的测定：
§8-7-1 d带理论
化学吸附 不可逆，吸、脱时吸
附物发生了变化。
eg：低压活性碳吸附氧，高温脱附
出CO、CO2。
CO
CO2
9 影响因素
O2
物理吸附: T, p, 表面大小
化学吸附: T, p, 表面大小,表面的微观结构
总之：物理吸附与化学吸附并不能完全 截然分开，有时可能共同存在。
§8-3 活化吸附理论 §8-3-1 吸附等压线 用粉末吸附剂吸附气体的实验：
吸附不可能发生在相邻的碳原子上， 而在六方型结构对顶角的一对碳原子上。
石墨最适宜距离2.84A0， 计算值 58kJ/mol, 实验值92 kJ/mol
金刚石最适宜距离2.8A0， 计算值 63kJ/mol, 实验值58 kJ/mol
§8-4 吸附与脱附动力学
§8-4-1 化学吸附速度研究的定性结果
平均滞留时间
0≈5×10-14 s 0≈7.5×10-14 s 0≈9.5×10-14 s
以上是假定0= 10-13 s 用Frenkel公式计 算的结果，结果表明：
Ed<40 kJ/mol 的吸附, 极短； Ed>200 kJ/mol 的吸附, 极长，即不脱附；
T , 。
一般研究时，保持温度在400~500℃、 10-8pa真空度，才能保证表面洁净。
化学吸附的确是活化的
eg:
化学吸附与物理吸附的相同点
化学吸附与物理吸附的相同点
化学吸附与物理吸附的相同点包括：
1. 它们都是气体分子与固体表面之间的相互作用，属于表面的物理性质之一。
2. 在气体物质吸附过程中，当能量较高的气体接近固体表面时，原子或离子会对其施加吸引力并捕获它，从而使气体分子在表面上吸附。
3. 被吸附的气体分子在吸附后其化学键不会被破坏，只是由于表面提供额外的电子而成为表面层的一部分。
这导致被吸附物质的化学性质没有改变，也不会引入新的元素或化合物。
4. 两者都需要克服表面能阻力完成吸附过程，因此都具有滞后现象和平衡现象的特征。
以上这些共同特征也说明了化学吸附与物理吸附的实现方式有所不同，但又相互关联。
物理吸附与化学吸附
吸附热
因 ∆ adsV = Va − Vg ≈ −Vg ≈ −nRT / p ∆ ads H ∆ ads H ⎛ ∂p ⎞ =− ⎜ ⎟ = nRT 2 / p ⎝ ∂T ⎠ na T∆ adsV
∆ ads H m ⎛ ∂lnp ⎞ ⎜ ⎟ =− RT 2 ⎝ ∂T ⎠ na p2 ∆ ads H m ⎛ 1 1⎞ ⎜ − ⎟ ln = ⎜T T ⎟ p1 R 1⎠ ⎝ 2 RT2T1 p2 ln ∆ ads H m = T1 − T2 p1 由恒吸附量下的两组平衡温度压力数据, 可求摩尔吸附焓. 吸附热一般会随吸附量的增加而下降, 表明固体表面的 能量是不均匀的. 吸附总是首先发生在能量较高、 活性较大 的位轩, 然后依次发生在能量较低、活性较小的位置上. 14
θ =
bp 1+ bp
2AM
10
多分子层吸附理论——BET公式
布鲁瑙尔(Brunauer), 埃米特(Emmett)和特勒(Teller)3人 在朗缪尔单分子层吸附理论基础上提出多分子层吸附理论, 简称 BET理论. 该理论假设如下: • 固体表面是均匀的; • 吸附靠分子间力, 吸附可以是多分子层的; • 被吸附的气体分子横向之间无相互作用力; • 吸附与脱附建立起动态平衡.
第八章 化学吸附
p/kPa
不可逆，吸、脱时吸 附物发生了变化。 eg：低压活性碳吸附氧，高温脱附 出CO、CO2。
CO O2 CO2
化学吸附
9 影响因素 物理吸附: T, p, 表面大小 化学吸附: T, p, 表面大小,表面的微观结构
总之：物理吸附与化学吸附并不能完全 截然分开，有时可能共同存在。
§8-3 活化吸附理论 §8-3-1 吸附等压线 用粉末吸附剂吸附气体的实验：
化学吸附的确是活化的
eg:
气体 H2 O2 CO N2
金属 W,Fe,Ni,pd 多数金属 W,Fe,Ni Ta,W,Cr,Fe
为什么会出现慢过程？
1、气体吸附后会扩散溶解进入金属体相；
2、金属表面不均匀，活化能随覆盖度而；
3、吸附层的重排；
4、表面杂质的脱附； 5、若吸附的是氧，则很可能是氧化作用
Ua∝e-/RT Ud∝e/RT
吸附、脱附速率公式可写为： d/dt =ae-/RT -d/dt =be/RT
积分得： RT ln t+t0 = t0 RT ln t0 = t+t0 其中t0 =RT/ a , t0 =RT/ b ,皆为常数
以 ~ ln( t+t0)作图得直线
两种吸附形态：强吸附、弱吸附
H-H W-W
H
H
W-W-W
2、O2 在金属上的化学吸附： O2 在金属上的化学吸附由于存在氧化 作用而变得很复杂： 如在 Ti、Cr、Mn、Ta、Co、Ni、Nb、 Al金属上吸附，氧原子与表面金属原 子之比R在2~8之间。
在 Mo 、 W、Rh、Pd和Pt上的R大致为1， 基本符合2M + O2 2MO机制。 3、CO 在金属上的化学吸附： CO 在Pd和Ni上的吸附有两种方式 O M
物理吸附与化学吸附
吸附剂的表面活性、孔径、孔容等性质也会影响化学吸附 的过程和结果，不同性质的吸附剂对同一种吸附质的吸附 能力可能会有很大差异。
03
物理吸附与化学吸附的比较
吸附力比较
物理吸附
物理吸附是通过分子间作用力（范德 华力）将气体或液体吸附在固体表面 。这种吸附力较弱，容易受到温度和 压力的影响。
原理
01
物理吸附的原理主要是由于分子 间的范德华力，包括色散力、诱 导力和取向力。这些力的大小取 决于分子间的距离和分子极性。
02
当气体分子遇到固体表面时，如 果它们的动能足够大，它们会克 服范德华力，碰撞到表面并被吸 附。
影响因素
温度
温度对物理吸附的影响较小，因为物 理吸附是可逆的，而且没有电子转移 。
物理吸附与化学吸附
汇报人： 202X-12-28
目 录
• 物理吸附 • 化学吸附 • 物理吸附与化学吸附的比较 • 吸附在工业中的应用 • 吸附的未来发展
01
物理吸附
定义
物理吸附是指吸附剂与吸附质之间通 过分子间作用力（范德华力）进行的 吸附。这种吸附没有电子转移，只是 分子间的引力作用。
物理吸附是一种可逆过程，即在较高 温度下，被吸附的物质可以脱附释放 出来。
常用的物理吸附剂包括活性炭、分子筛等，它们具有高比 表面积和孔容，能够吸附气体分子并实现高效分离。
催化剂载体
化学吸附在催化剂载体中具有重要作 用，催化剂载体能够提供活性中心， 促进化学反应的进行。
常用的催化剂载体包括氧化铝、硅酸 铝、分子筛等，它们能够提供酸性或 碱性的活性中心，促进化学反应的进 行。
表面粗糙度
表面粗糙度对物理吸附的影响较大。 粗糙的表面可以提供更多的吸附位点 ，增加物理吸附的可能性。
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物理吸附和化学吸附的异同
根据吸附剂表面与被吸附物之间作用力的不同，吸附可分为物理吸附与化学吸附。
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。
物理吸附是被吸附的流体分子与固体表面分子间的作用力为分子间吸引力，即所谓的范德华力(Vanderwaals)。
因此，物理吸附又称范德华吸附，它是一种可逆过程。
当固体表面分子与气体或液体分子间的引力大于气体或液体内部分子间的引力时，气体或液体的分子就被吸附在固体表面上。
从分子运动观点来看，这些吸附在固体表面的分子由于分子运动，也会从固体表面脱离而进入气体(或液体)中去，其本身不发生任何化学变化。
随着温度的升高，气体(或液体)分子的动能增加，分子就不易滞留在因体表面上，而越来越多地逸入气体(或液体中去，即所谓“脱附”。
这种吸附—脱附的可逆现象在物理吸附中均存在。
工业上就利用这种现象，借改变操作条件，使吸附的物质脱附，达到使吸附剂再生，回收被吸附物质而达到分离的目的。
物理吸附有以下特点：①气体的物理吸附类似于气体的液化和蒸气的凝结，故物理吸附热较小，与相应气体的液化热相近；②气体或蒸气的沸点越高或饱和蒸气压越低,它们越容易液化或凝结,物理吸附量就越大；③物理吸附一般不需要活化能，故吸附和脱附速率都较快；任何气体在任何固体上只要温度适宜都可以发生物理吸附，没有选择性；④物理吸附可以是单分子层吸附，也可以是多分子层吸附;⑤被吸附分子的结构变化不大,不形成新的化学键，故红外、紫外光谱图上无新的吸收峰出现，但可有位移；⑥物理吸附是可逆的；⑦固体自溶液中的吸附多数是物理吸附。
物理吸附理论基础：气体吸附理论主要有朗缪尔单分子层吸附理论、波拉尼吸附势能理论、 BET多层吸附理论（见多分子层吸附）、二维吸附膜理论和极化
理论等，以前三种理论应用最广。
这些吸附理论都从不同的物理模型出发，综合考查大量的实验结果,经过一定的数学处理,对某种（或几种）类型的吸附等温线的限定部分做出解释，并给出描述吸附等温线的方程式。
物理吸附在化学工业、石油加工工业、农业、医药工业、环境保护等部门和领域都有广泛的应用，最常用的是从气体和液体介质中回收有用物质或去除杂质，如气体的分离、气体或液体的干燥、油的脱色等。
物理吸附在多相催化中有特殊的意义，它不仅是多相催化反应的先决条件，而且利用物理吸附原理可以测定催化剂的表面积和孔结构，而这些宏观性质对于制备优良催化剂，比较催化活性，改进反应物和产物的扩散条件，选择催化剂的载体以及催化剂的再生等方面都有重要作用。
化学吸附是固体表面与被吸附物间的化学键力起作用的结果。
这类型的吸附需要一定的活化能，故又称“活化吸附”。
这种化学键亲和力的大小可以差别很大，但它大大超过物理吸附的范德华力。
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。
化学吸附往往是不可逆的，而且脱附后，脱附的物质常发生了化学变化不再是原有的性状，故其过程是不可逆的。
化学吸附的速率大多进行得较慢，吸附平衡也需要相当长时间才能达到，升高温度可以大大地增加吸附速率。
对于这类吸附的脱附也不易进行，常需要很高的温度才能把被吸附的分子逐出去。
与物理吸附相比，化学吸附主要有以下特点：①吸附所涉及的力与化学键力相当，比范德华力强得多。
②吸附热近似等于反应热。
③吸附是单分子层的。
因此可用朗缪尔等温式描述，有时也可用弗罗因德利希公式描述。
捷姆金吸附等温式只适用于化学吸附：V/Vm=1/a•㏑CoP。
式中V是平衡压力为p时的吸附体积；
Vm是单层饱和吸附体积；a和c0是常数。
④有选择性。
⑤对温度和压力具有不可逆性。
另外，化学吸附还常常需要活化能。
确定一种吸附是否是化学吸附，主要根据吸附热和不可逆性。
化学吸附机理可分以下3种情况：①气体分子失去电子成为正离子，固体得到电子，结果是正离子被吸附在带负电的固体表面上。
②固体失去电子而气体分子得到电子，结果是负离子被吸附在带正电的固体表面上。
③气体与固体共有电子成共价键或配位键。
例如气体在金属表面上的吸附就往往是由于气体分子的电子与金属原子的d电子形成共价键，或气体分子提供一对电子与金属原子成配位键而吸附的。
在复相催化中的作用及其研究：在复相催化中，多数属于固体表面催化气相反应，它与固体表面吸附紧密相关。
在这类催化反应中，至少有一种反应物是被固体表面化学吸附的，而且这种吸附是催化过程的关键步骤。
在固体表面的吸附层中，气体分子的密度要比气相中高得多，但是催化剂加速反应一般并不是表面浓度增大的结果，而主要是因为被吸附分子、离子或基团具有高的反应活性。
气体分子在固体表面化学吸附时可能引起离解、变形等，可以大大提高它们的反应活性。
因此，化学吸附的研究对阐明催化机理是十分重要的。
化学吸附与固体表面结构有关。
表面结构化学吸附的研究中有许多新方法和新技术，例如场发射显微镜、场离子显微镜、低能电子衍射、红外光谱、核磁共振、电子能谱化学分析、同位素交换法等。
其中场发射显微镜和场离子显微镜能直接观察不同晶面上的吸附以及表面上个别原子的位置，故为各种表面的晶格缺陷、吸附性质及机理的研究提供了最直接的证据。