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    气体吸附的原理及过程
    作者:abc    发布于:2015/11/25    浏览量:736

      一切物质都是由原子组成的。气态的原子和分子可以自由地运动。相反,固态时原子由于相邻原子间的静电引力而处于固定的位置。但固体最外层(或表面)的原子比内层原子周围具有更少的相邻原子。为了弥补这种静电引力不平衡,表面原子就会吸附周围空气中的气体分子。整个固体表面吸附周围气体分子的过程称为气体吸附。事实证明,监测气体吸附过程能够得到丰富的关于固体特征的有用信息。(www.shjwgb.com
      在进行气体吸附实验之前,固体表面必须清除污染物,如水和油。表面清洁(脱气)过程,大多数情况下是将固体样品置于一玻璃样品管中,然后在真空下加热。图1 展示了预处理后的固体颗粒表面,其含有裂纹和不同尺寸和形状的孔。
      样品一旦清洁后,就要转移至外置的杜瓦瓶(或其它恒温浴或高温炉)中使其处于恒温状态。然后,使少量的气体(被吸附物,即吸附质)逐步进入被抽真空的样品管。进入样品管的吸附质分子很快便到达固体样品(即吸附剂)上每一个孔的表面。这些分子要么从表面弹回,要么粘着于固体表面。
      气体分子被粘着于固体表面的现象就称为被吸附。通过被吸附分子与表面间的相互作用力的大小可以判定吸附过程本质上是物理吸附(作用力弱)还是化学吸附(作用力强)。


      气体吸附原理及过程
      物理吸附
      物理吸附是最普通的一种吸附类型。被物理吸附的分子可以相当自由地在样品表面移动。随着越来越多的气体分子被导入体系,吸附质分子会在整个吸附剂表面形成一个薄层。根据著名的BET 理论,假设被吸附分子为单分子层,我们可以估算出覆盖整个吸附剂表面所需的分子数Nm(见图2)。
      被吸附分子数Nm 与吸附质分子的横截面积的乘积即为样品的表面积。
      继续增加气体分子的通入量则会导致多层吸附。多层吸附过程与毛细管凝聚过程(见图3)是同时进行的。后一过程可由开尔文方程进行充分的描述。该方程量化了剩余(或平衡)气体压力与能凝聚气体的毛细管尺寸的比例。利用Barrett, Joyner and Halenda (BJH) 法等计算方法可以根据平衡气体压力计算孔径。所以我们可以做出被吸附气体的体积与相对饱和平衡气压之间的实验曲线(即等温线),再对其进行转换,就可以得到累积的或微分孔径分布图。
      随着平衡吸附质压力趋于饱和,孔就被吸附质完全填充(见图4)。如果知道吸附质的密度,就可以计算出其所占的体积,然后就可以相应地计算出样品的总孔体积。如果此时我们将吸附过程逆向操作,从体系中逐步减少气体量,也可以得到脱附等温线。由于吸附和脱附机理不同,吸附和脱附等温线很少能够重叠。等温线的迟滞现象与固体颗粒的孔形有关。
      与物理吸附不同,化学吸附是因为吸附质分子和表面特定位置,即化学活性部位,形成了强的化学键。因此,化学吸附的基本用途是计算可能引起化学和催化反应的表面活性部位的数量。