固体吸附作用
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。
固体表面产生吸附现象的本质原因
固体表面产生吸附现象的本质原因引言固体表面产生吸附现象是物理化学研究中的重要现象之一。
许多实际应用领域，如催化、电化学和环境科学等，都与固体表面的吸附现象密切相关。
本文将深入探讨固体表面产生吸附现象的本质原因，从分子层面阐述吸附现象的机理和表面特性的影响。
吸附现象的定义吸附是指气体、液体或溶解物质中的分子、离子或原子与固体表面相互作用并与固体表面相结合的过程。
吸附分为物理吸附和化学吸附两种类型。
物理吸附是由于分子间的范德华力和卤素作用力引起的，而化学吸附是由于分子间形成化学键引起的。
吸附现象的机理吸附现象的本质原因是固体表面分子与吸附物分子之间相互作用力的存在。
这些相互作用力包括范德华力、电荷转移作用力和化学键作用力。
1. 范德华力范德华力是分子间的一种弱引力，与分子的极性和极化能力相关。
它是吸附现象中一个重要的相互作用力。
范德华力使固体表面分子与吸附物分子之间发生相互吸引，从而使吸附物分子附着在固体表面上。
2. 电荷转移作用力电荷转移作用力产生于分子间的电荷转移过程。
它可以通过静电相互作用、离子键和共价键等形式存在。
电荷转移作用力使固体表面分子与吸附物分子之间发生相互吸引或排斥。
3. 化学键作用力化学键作用力是指吸附物分子间或固体表面分子间通过共价键相互结合的力量。
化学键作用力较强，能够在吸附过程中形成化学键。
表面特性的影响固体表面的性质对吸附现象起着重要影响。
1. 表面活性表面活性是指在固体表面上发生的吸附现象的活性程度。
表面活性较高的固体表面能够吸附更多的吸附物分子。
2. 表面能表面能是指固体表面分子的能量状态。
表面能越小，吸附现象越易发生。
这是因为表面能小意味着表面分子与吸附物分子之间的相互作用力较强。
3. 表面形态表面形态对吸附现象的影响很大，表面形态的不规则性能增加吸附物分子在固体表面上的吸附机会。
4. 表面组成固体表面的成分决定了吸附现象的类型和性质。
不同的表面组成对吸附现象产生不同的影响。
物理化学(第五版) 演示文稿8-4 固体表面的吸附作用
C—与吸附第一层气体的吸附热及该气体的液化热有 关的常数。
21
V
p p* p
1 VC
C 1 VC
p p*
对于在一定温度T、指定的吸附系统，C和V∝皆为
常数。
若以 p 对 p 作图应得一直线。 V p* p p*
§8-4 固体表面的吸附作用
一、 固体表面的不均匀性
扭折
凹陷
表面杂质
台阶 不同晶面
位错
附图 固体表面缺陷示意图
陷阱
1
吸附—为使表面能降低，固体表面会自发 地利用其未饱和的自由价来捕获气相或液相中 的分子，使之在固体表面上浓集，这一现象称 为固体对气体或液体的吸咐。
气体在固体表面的吸附相当于气体的液化 （分子失去一个空间自由度）。
四个基本假设：
(i) 固体表面对气体的吸附是单分子层的(即固体 表面上每个吸附位只能吸附一个分子，气体分子只 有碰撞到固体的空白表面上才能被吸附)。（吸附力 是化学键力）
(ii) 固体表面是均匀的(即表面上所有吸附位的吸 附能力相同)。吸附热可以作为常量处理）
(iii) 被吸附的气体分子间无相互作用力(即吸附或 脱附的难易与邻近有无吸附分子无关)；
图8-17 多分子层吸附示意图
19
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 被吸附的气体分子间无相互作用力； 吸附与脱附建立起动态平衡。
20
由BET理论导出的结果是：
p 1 C 1 p
V p* p VC VC p*
V—T、p下质量为m的吸附剂吸附达平衡时吸附气体 的体积；
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
固体吸附的名词解释
固体吸附的名词解释固体吸附是物理学和化学领域中常用的一个术语，指的是气体、液体或溶液中的分子或离子被吸附到固体表面上的过程。
这种吸附作用是由于固体表面的化学特性或表面结构与被吸附物质之间的相互作用而产生的。
固体吸附现象的起因可以追溯到分子间的吸引力和斥力。
分子之间存在两种吸引力：范德华力和静电力。
范德华力是一种瞬时诱导力，它是由于电子在分子中的运动引起的，具有非常短暂和不规律的性质。
静电力是由于分子中存在部分电荷导致的。
当固体表面上存在吸引分子的部分电荷时，分子就会被吸附到固体表面上。
固体吸附的类型有两种：物理吸附和化学吸附。
物理吸附是通过范德华力引起的吸附作用，通常发生在低温和低压下。
由于范德华力相对较弱，物理吸附通常是可逆的，吸附剂（固体）和被吸附物质之间没有明显的化学反应。
然而，物理吸附也可以导致吸附剂表面的形变和分子的聚集，从而使吸附变得不可逆。
与物理吸附不同，化学吸附是由于被吸附物质和吸附剂之间发生化学反应而引起的吸附作用。
化学吸附通常发生在高温和高压下，需要较高的能量来克服反应活化能。
与物理吸附相比，化学吸附是一个不可逆的过程，吸附剂（固体）和被吸附物质之间形成了化学键。
固体吸附在许多领域都有广泛的应用。
在环境科学中，固体吸附可以用来去除水中的污染物。
例如，活性炭是一种常用的吸附剂，它能吸附并去除水中的有机物、重金属和其他污染物。
在化工工艺中，固体吸附可以用来分离混合物中的组分。
例如，分子筛是一种常用的吸附剂，可用于分离石油中的碳氢化合物。
除了应用上的重要性，固体吸附还具有理论上的研究价值。
研究固体吸附过程可以揭示吸附剂和被吸附物质之间的相互作用，揭示吸附剂表面的结构和性质，进而提供设计和合成新的吸附剂的指导。
总结而言，固体吸附是一种将气体、液体或溶液中的分子或离子吸附到固体表面上的过程。
它可以通过范德华力或化学键引起，具有物理吸附和化学吸附两种类型。
固体吸附在环境科学和化工工艺中有广泛的应用，同时也是一个重要的理论研究领域。
列举出至少两个固体表面吸附作用在日常生活中的应用实例
列举出至少两个固体表面吸附作用在日常生活中的应用实
例
1、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。
2、吸附槽。
用于吸附操作的搅拌槽，如在吸附槽中用活性白土精制油品或糖液。
3、固定床吸附设备。
用于吸附操作的固定床传质设备，应用最广。
4、流化床吸附设备。
吸附剂于流态化状态下进行吸附，如用流化床从硝酸厂尾
气中脱除氮的氧化物。
当要求吸附质回收率较高时，可采用多层流态化设备。
流化床吸附容易连续操作，
但物料返混及吸附
剂磨损严重。
5、移动床吸附柱。
又称超吸附柱，用于吸附中的移动床传质设备，曾用于分离
烯烃的中间工厂。
吸附就是固体或液体表面对气体或溶质的吸着现象。
由于化学键的作用而产生的
吸附为化学吸附。
如
镍催化剂吸附氢气，化学吸附过程有化学键的生成与破坏，吸收或放出的吸附热比较大，所需活化能也较大，需在高热下进行并有选择性。
物理吸附是由分子间作用力相互作用而产生的吸附。
如活性炭对气体的吸附，物理吸附一般是在低温下进行，吸附速度快、吸附热小、吸附无选择性。
二氧化碳固体吸附法的原理
二氧化碳固体吸附法的原理
二氧化碳固体吸附法是一种通过将二氧化碳（CO2）气体直接吸附到固体材料表面或内部的方法，从而实现CO2的捕获和分离。
其原理基于CO2与固体材料之间的吸附作用。
在二氧化碳固体吸附法中，常用的吸附剂材料包括活性炭、金属有机骨架材料（MOFs）、炭化硅纳米管等。
这些材料具有大的比表面积和丰富的孔隙结构，能够提供大量的吸附位点用于CO2的吸附。
当CO2气体与吸附剂接触时，CO2分子会通过吸附力吸附在材料的表面或者孔隙中。
这种吸附力可以是化学吸附或物理吸附。
化学吸附是指CO2与吸附剂发生化学反应，形成化合物；而物理吸附则是指CO2与吸附剂之间的分子间力作用。
吸附剂对CO2的吸附量取决于多种因素，包括CO2与吸附剂之间的亲和力、吸附剂的比表面积和孔隙结构等。
一般来说，较高的亲和力和较大的比表面积有利于提高吸附能力。
在吸附过程中，CO2与吸附剂之间的相互作用会发生逆反应，即CO2可以从吸附剂上解吸出来。
因此，二氧化碳固体吸附法可以通过控制温度和压力等条件来实现CO2的吸附和解吸，从而实现CO2的捕获和分离。
固体表面上的吸附作用
④ 色谱吸附分离
⑥ ⑤ 循环吸附分离技术
⑦使固定吸附床源自热力学参数和移动相周期性地改变，从而
10.3.3 吸附剂
（1）对吸附剂要求
良好的选择性、较高的吸附容量、较高的机械强度。
（2）吸附剂种类
1032吸附分离过程的分类变温吸附分离温度吸附容量而温度吸附容量故低温吸附分离高温再生吸附剂
10.3 吸附
10.3.1 固体表面上的吸附作用
吸附：在一定条件下，一些物质的分子、原子或离子能自动
地附着在某些固体表面上的现象。
吸附剂：具有吸附作用的物质； 吸附质：被吸附的物质。 平衡吸附量（吸附量或吸附容量）：吸附达到平衡时，吸附 剂单位面积（或单位质量）上吸附气体的物质的量或标准状
况下的体积。
物理吸附：吸附力为分子间力的吸附； 化学吸附：吸附力为化学键力的吸附。
10.3.2 吸附分离过程的分类
① 变温吸附分离 温度↑ ② 吸附容量↓ ， 而温度↓ 吸附容量↑ 故低温吸附分离，高温再生吸附剂。 变压吸附分离 恒温下，分压↑ 吸附容量↑ ， 而分压↓ 吸附容量↓
故加压吸附分离，减压再生吸附剂。
和葡萄糖的分离等。
① 天然吸附剂，如活性铝土矿、漂白土、硅藻土等；
② 硅胶；
③ 活性氧化铝；
④ 活性炭；
⑤ 合成沸石分子筛。
10.3.4 吸附分离的应用
① 气体和液体的去湿
如：氟里昂脱水。 ② 气体的分离和净化 如：工业生产中的原料气脱除其中的CO2、H2S、CO、SO2 等微量杂质。
③ 气体中少量溶剂的回收
如：油漆或轻纺工业中，排出的气体内溶剂蒸汽（苯、 丙酮、二硫化碳）的回收。 ④ 有机烷烃和芳烃的分离和精制 如：间-二甲苯和对-二甲苯的分离、碳水化合物中的果糖
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固体吸附作用
一、物理吸附和化学吸附
固体表面的分子、原子或离子，同液体表面一样，所处的力场也是不对称、不饱和的。
不论是在空气中或是在溶液中的固体，其表面上各个质点从固体内部受到的作用力要比从外部气体或液体方面受到的作用力大的多。
因此，固体表面液存在剩余的表面自由能，同样具有自动降低这种能量的趋势。
不过固体表面又不同于液体表面，一般情况下其各个质点是固定而不可移动的，表面的形状不能任意地自由变化，也不能随意地收缩和展开而改变其大小。
所以，固体表面自动降低自由能地趋势往往表现为对气体或液体中地相间界面，在此相间界面上常会出现气体组分或溶质组分浓度升高地现象，这就是固体表面的吸附作用。
在工程中用来进行吸附分离操作的固体材料称为吸附剂，而被吸附的物质称为吸附物。
吸附剂大多是具有广阔表面积的颗粒状材料，吸附作用发生在固体表面上，因此，吸附量的表示方法应为单位表面积上吸附物的数量。
吸附量主要决定于吸附时的温度、气相中的压力或溶液中浓度等因素。
固体吸附剂在溶液中的吸附是溶剂、溶质和固体综合组成体系中的界相现象。
这种现象可能由两方面的推动力促成，一种是溶剂水对憎水溶质的排斥作用，另一种是固体对溶质的亲和吸引作用。
在水处理实践中遇到的大部分是这两方面作用的综合结果。
溶质的溶解程度是决定第一种作用强度的重要因素，溶质与溶剂的
化学特性越相近，它的溶解程度就越大，而被吸附的趋势就越小，相反，溶质与溶剂的化学特性相差越远，溶解程度越小，被吸附的趋势就越大。
在水溶液中，溶剂水具有强级性，一些非极性的有机物质就容易受水的排斥而吸附在非极性的吸附剂表面上具有活性剂分子结构的表明活性剂，其非极性的憎水端受水排斥，可以定向吸附在非极性的吸附剂上，而把极性亲水端指向水中。
根据这一原理，水中的憎水性固体表面吸附一层表明活性物质后可以转化为亲水性表面。
如果固体的极性甚至比水更强，也有可能吸附表面活性物质分子的极性端，使其极性端朝外定向而表面转化为憎水性的。
吸附的第二种推动力是固体对溶质的特殊亲和吸引作用，其中可能包含有三种基本作用力，即范德华力、化学键及氢键作用力、静电引力。
吸附作用常常是这几种作用力的综合结果，不同情况下的各类吸附可能是其中某一种作用力起主要作用。
范德华力上分子间的物理作用力没有选择性，因而可以发生于固体吸附剂对任意溶质之间，当然，吸附对象不同，起作用强度也会有很大区别。
范德华力的作用强度较小，所以吸附是不牢固的，并且具有可逆性。
因范德华力而吸附的物质，并不绝对固定在表面上某一点，甚至可能有所移动。
另一方面，范德华引力的作用范围较大，超越一个分子，因而可以形成多分子层的吸附。
在由范德华引力决定的吸附中，没有电子转移、原子重新排列、化学键生成现象，亦即没有化学作用，所以称为物理吸附。
这类吸附常发生于较低温度下，吸附能较
低，吸附时放出的能量也较小。
由化学键力所决定的吸附称为化学吸附。
化学键力只能在特性的各原子之间产生，因此化学吸附是具有选择性的，固体吸附剂优先吸附那些与其本身性质相近或者适合本身结构组成需要的物质粒子。
化学键合力的强度较大，被吸附物固体结合在吸附剂表面某些活性点上，不易脱离而可逆性较差。
这类吸附的作用力范围不超过分子大小，因而只形成单分子吸附层，布满表面各吸附点后即达到饱和。
化学吸附发生在较高温度下，因为化学反应在温度高时易于迅速进行。
这种吸附的吸附能较高，吸附热数值较大。
氢键作用力的特性属于化学作用一类，但其强度及吸附特点介于上述两种作用力之间。
在许多吸附现象中氢键起着重要作用。
纯粹的物理吸附或化学吸附都是极端的情况，一般的吸附作用是综合的，很难分辨。
有时在温度低时发生物理吸附，而在温度升高后发生化学吸附。
有时吸附剂对被吸附物先进行物理吸附，吸附后又进一步产生化学作用转为化学吸附。
另外，在吸附表面上凸出部分及边缘处、棱角处易于产生化学键力的吸附作用，而在表面平坦处或凹下处的范德华力作用更强些。
有时，固体对有机物分子可能产生强烈地吸附，这往往是在吸附剂和被吸附物之间发生某些特点地同双方结构有关地反应，这种吸附带有明显地选择性所以可称为专属吸附。
在不同情况下地专属吸附有不同地吸附结合能，从类似于物理吸附地低能范围到类似于化学吸附地高能范围有各种专属吸附发生。
这时发生的化学反应以各种络合反应
较多，如活性炭对芳香族羟基和硝基化合物的吸附就是有机物分子同活性炭表面的（—）基中的氧发生络合反应。
二、电解质溶液中的吸附
固体表面在电解质溶液特别是强电解质溶液中的吸附主要是粒子吸附，其推动力主要是静电引力。
固体表面上若有一定数量的带有电荷的质点，就会吸引溶液中带有异号电荷的离子。
如果固体本身是离子晶体和由极性分子构成，从一开始就可以对异号电荷的离子进行吸附。
如果固体最初并不带有荷电质点，在电解质溶液中可以由分子和原子作用力优先吸附某种离子，然后作为荷电质点就可吸附异号电荷的离子。
各种离子被固体表面荷电质点吸附的能力是不相同的，这主要决定于离子本身的化学性质、电荷量、水合程度等因素。
一般说来，高价离子被吸附的能力超过低价离子，因为离子的电荷越强，静电引力越大。
不同价离子的被吸附能力可以排列成以下顺序：
K+＜Ca+2＜Al+3＜Th+4
对于同价离子，离子半径越大则被吸附的能力越强。
这是由于大离子的极化性较强，受静电引力的影响较大，而另一方面，离子半径越大，其水合程度就越小，而水合层是会阻碍静电作用的，因此，一价阳离子被吸附能力的排列顺序：
Li+＜Na+＜K+＜Rb+＜Cs+
二价阳离子：Mg+2＜Ca+2＜Sr+2＜Ba+2
＜I-＜CNS-
一价阴离子：Cl-＜Br-＜NO-
3
离子晶体在溶液中优先吸附与自身组成相一致的离子或性质相近
的离子及原子团。
这时的作用力就是静电性质的离子键力。
如果固体表面优先吸附一种电荷的离子后，又吸附另一种异号电荷的离子，这时的吸附状态实际上相似于吸附了整个电解质分子，在界面上仍保持电中性状态，因此称为分子吸附或者非极性吸附。
这种吸附常发生于难电离的弱电解质或者两种离子可生成难溶化合物的情况。
若是固体的选择吸附特性很强，在表面上就会较多地专门吸附某种阳离子或阴离子，而再由静电引力吸附地别一种异号离子数目可能达不到等当量。
这时固体表面就会带有多余地电荷，所产生地电位将由外围扩散层中的异号离子所平衡，这就是胶体溶液及其它体系中形成扩散双电层的情况。
吸附剂在溶液中有选择地吸附一种离子，同时又放出另一种带有同电荷地离子时，就构成了离子交换吸附过程。
如果这种过程完全是按照等量进行地，就属于纯粹地离子交换过程，而若放出的离子量少于吸附的离子量，就同时还存在离子吸附过程。