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。
高分散度固体表面吸附气体后可使固体表面的吉布斯函数
高分散度固体表面吸附气体后可使固体表面的吉布斯函
数
高分散度固体表面吸附气体是一种重要的表面现象，它可以显著地影响固体表面的吉布斯函数。
吉布斯函数是描述系统自由能的重要物理量，它包含了系统的热力学性质和化学性质，是描述系统平衡状态的基本参数之一。
当固体表面吸附气体时，气体分子会与固体表面的原子或分子发生相互作用，形成吸附层。
这种相互作用可以通过吸附热、吸附能、吸附位等参数来描述。
吸附层的形成会改变固体表面的化学势和表面能，从而影响固体表面的吉布斯函数。
具体来说，当固体表面吸附气体时，吸附层的形成会导致固体表面的化学势降低。
这是因为吸附层中的气体分子与固体表面的原子或分子形成了化学键，从而减少了固体表面的自由能。
此外，吸附层的形成还会导致固体表面的表面能发生变化。
吸附层中的气体分子与固体表面的原子或分子之间的相互作用会导致表面能的增加，从而使固体表面的吉布斯函数增加。
除了影响固体表面的化学势和表面能外，吸附层的形成还会影响固体表面的结构和形貌。
吸附层中的气体分子会占据固体表面的一部分空
间，从而改变固体表面的结构和形貌。
这种结构和形貌的变化也会影响固体表面的吉布斯函数。
总之，高分散度固体表面吸附气体是一种重要的表面现象，它可以显著地影响固体表面的吉布斯函数。
吸附层的形成会导致固体表面的化学势降低，表面能增加，同时还会影响固体表面的结构和形貌。
这些变化都会影响固体表面的吉布斯函数，从而影响固体表面的热力学性质和化学性质。
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。
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。
吸附制氮机工作原理
吸附制氮机工作原理吸附制氮机（Adsorption Nitrogen Generator）是一种通过吸附分离技术制取氮气的设备。
它利用了气体在固体表面的吸附特性，将气体混合物中的氧气、二氧化碳等杂质从氮气中分离出来，从而提供高纯度的氮气。
1.吸附装置：吸附装置由一组吸附剂床组成，通常使用活性碳、分子筛等吸附剂。
吸附剂的表面具有吸附分子的能力。
当气体通过吸附装置时，吸附剂会吸附其中的氧气、二氧化碳等杂质，而氮气则通过吸附装置排出。
当其中一吸附剂床吸附饱和后，会切换到另一床进行再生。
2.压缩机：压缩机用于将空气压缩到一定压力，一般为7-10个大气压。
经过压缩后的气体进入吸附装置，与吸附剂发生反应。
3.冷却装置：冷却装置用于降低气体的温度，在低温下吸附分离效果更好。
冷却装置通常采用冷却水或制冷系统进行冷却。
4.控制系统：控制系统根据设定的参数来控制吸附制氮机的运行，如设定氮气纯度、流量等。
控制系统还能监控吸附剂的饱和程度，以及切换吸附床进行再生。
1.吸附阶段：气体经过压缩机提高压力，进入吸附装置。
在吸附装置中，氧气、二氧化碳等杂质被吸附剂吸附，而氮气则通过吸附装置排出。
通过吸附装置的交替运行，不断提取纯度较高的氮气。
2.再生阶段：当一个吸附剂床吸附饱和后，控制系统会切换到另一床进行再生。
再生过程通常分为两个步骤：脱附和再吸附。
首先，用压缩空气将脱附床中的吸附剂上的吸附物脱附出来。
然后，将脱附床通入低压空气，进行再吸附。
再生后的吸附剂可以重新用于吸附阶段。
总之，吸附制氮机通过利用气体在吸附剂表面的吸附特性，将气体混合物中的氧气、二氧化碳等杂质从氮气中分离出来。
它是一种高效、可靠的氮气制备设备，广泛应用于化工、电子、食品等行业。
n2 tpd物理化学吸附
n2 tpd物理化学吸附物理化学吸附是指气体分子在固体表面附着的一种吸附现象。
其中，N2 TPD（Temperature Programmed Desorption）是一种常用的实验方法，用于研究气体分子在固体表面的吸附和解吸过程。
N2 TPD实验通常是通过在固体表面吸附N2分子，然后通过升温来观察N2分子的解吸行为。
实验过程中，首先将固体样品置于低温下，使N2分子吸附到固体表面。
然后，通过升温，提高固体样品的温度，使吸附的N2分子逐渐解吸并从固体表面脱附。
解吸的N2分子会通过质谱仪等检测手段进行实时监测，从而得到N2 TPD曲线。
N2 TPD曲线可以提供关于固体表面吸附态和解吸态的重要信息。
曲线上的峰值对应着不同类型的吸附态和解吸态，通过对峰值的位置、峰高和峰形进行分析，可以推断出吸附态和解吸态的性质和特点。
例如，峰值的位置可以用来确定吸附态和解吸态的能量，峰高可以用来估计吸附态和解吸态的覆盖度，峰形可以用来判断吸附态和解吸态的均匀性和分布情况。
N2 TPD实验可以用于研究各种固体材料的表面性质和吸附行为。
例如，通过对催化剂的N2 TPD曲线进行分析，可以了解催化剂表面的活性位点和吸附态，从而优化催化剂的设计和性能。
此外，N2 TPD 还可以用于研究各种气体分子在固体表面的吸附和解吸过程，探索气体分子与固体表面之间的相互作用机制。
然而，需要注意的是，N2 TPD实验只能提供吸附和解吸过程的宏观信息，无法直接观察到分子尺度上的吸附和解吸行为。
因此，在对N2 TPD实验结果进行解释和分析时，需要结合其他表征手段，如X 射线衍射、扫描电子显微镜等，来获取更全面和准确的信息。
N2 TPD物理化学吸附是一种常用的实验方法，用于研究气体分子在固体表面的吸附和解吸行为。
通过对N2 TPD曲线的分析，可以了解固体表面的吸附态和解吸态的性质和特点，从而深入研究固体材料的表面性质和吸附行为。
这为优化催化剂设计和气体分子与固体表面相互作用机制的研究提供了重要的实验手段。
固体表面吸附空气熵减
固体表面吸附空气熵减
气体在固体表面的吸附过程中，熵的变化并不是一成不变的。
熵是表示物体的混乱程度的函数，物体越混乱熵值越大。
在固体表面吸附气体的过程中，气体分子在固体表面填充到晶体的空隙中，这种排列是有序的，因此熵会减小。
然而，吸附过程是否熵减还需要考虑其他因素。
例如，气体分子在固体表面吸附时，可能会发生其他变化，如化学键的断裂或形成等，这些变化可能会对熵产生影响。
如果这些变化导致熵增加，那么整个吸附过程的熵变化可能是正值。
因此，不能简单地认为气体在固体表面吸附时熵一定减小。
具体熵的变化情况需要根据吸附过程中的具体变化进行计算。
气体与固体吸附
气体与固体吸附吸附是指气体、液体或溶液中的分子在固体表面上附着的现象。
在气体与固体吸附中，气体分子会与固体表面发生相互作用，同时也会受到吸附物质与固体表面的作用力的影响。
了解气体与固体吸附的机制和性质，对于许多工业和科学应用都非常重要。
气体与固体吸附的种类主要分为两种：物理吸附和化学吸附。
物理吸附是指气体分子在固体表面上通过范德华力与固体相吸引而附着。
化学吸附则是气体分子与固体表面上的化学键结合，形成新的化学物质。
物理吸附和化学吸附之间的区别在于吸附能力和稳定性不同。
物理吸附往往发生在低温下，吸附能力不强且容易逆反应，而化学吸附则具有较高的吸附能力和较强的稳定性。
气体与固体吸附的机制有两种：亲和吸附和排斥吸附。
亲和吸附是指气体分子与固体表面之间存在吸引力，因此气体分子会附着在固体表面上。
排斥吸附则是指气体分子与固体表面之间存在排斥力，因此气体分子会在固体表面上发生反弹。
这两种机制的发生主要取决于气体分子与固体表面的性质以及气体分子的能量。
亲和吸附通常发生在气体分子与固体表面之间的相互作用力较强的情况下，而排斥吸附则发生在相互作用力相对较弱的情况下。
气体与固体吸附在许多领域具有重要的应用价值。
例如，在环境保护中，我们可以利用吸附技术清除空气和水中的污染物。
通过选择合适的吸附剂，例如活性炭或分子筛等，可以有效地吸附有害气体和溶解于水中的有机物质。
此外，气体吸附也是制备高纯度气体的重要步骤。
在工业生产中，通过将气体通过吸附床，可以去除气体中的杂质，得到纯净的气体。
此外，气体吸附在催化剂制备、气体分离和储存等领域也有广泛的应用。
固体吸附剂的选择对于气体与固体吸附的效果具有重要影响。
吸附剂应具有较大的比表面积、良好的吸附性能和很强的稳定性。
常用的吸附剂有活性炭、硅胶、氧化铝等。
活性炭是吸附性能最好的吸附剂之一，具有较大的比表面积和很强的吸附能力，可以吸附多种气体污染物。
硅胶具有较大的孔隙体积和较强的吸附能力，主要用于水分和有机溶剂的吸附。
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C eq1q2/( RT )
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
与温度的关系曲线;
其主要应用是计算吸
附热。
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c,吸附等温线 (Adsorption isotherm) 是在温度一定时，吸附量与吸附质平衡分压的关系。
这三种曲线是相互关联的，其中任何一种曲线都可 以用来描述吸附作用的规律。实际工作中用得最多 的是吸附等温线。
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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。
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。
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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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。
固体表面的不均匀性
若将固体表面近似地看成一个平面，固体表面对吸附分子的作用能 不仅与其对表面的垂直距离有关，而且常随水平位置不同而变。即 在距离相同的不同表面对吸附分子的作用能不同。
表面层的组成和结构与体相的不同。由于加工方式或固体形成时环
境的不同，固体表面层由表向里往往呈现出不同结构。
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5.2 固体表面能与表面张力
5.2.1固体的表面能
固体的表面能是固体比表面吉布斯函数的简 称，又称固体表面自由能。它是指在某温度
压力下生成单位新的固体表面所引起的体系
吉布斯函数的增加量，它也等于在某温度压
力下生成单位固体表面时所需的可逆功，又
常称内聚功。
Gs G A T , p
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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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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(3)吸附热力学
气体分子在固体表面上发生吸附时，是由三维空间 的运动变成在固体表面上的二维空间运动，分子的 平动受到限制，因而是熵减少过程。由前所述，吸 附是自发的过程，显然表面吉布斯函数是降低的， 据热力学有
△G=△H-T△S
于是可以推断吸附过程的△H必定是负值，即吸附
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
dAGs sdA
AdGs GsdA sdA
所以
s
Gs
A Gs A
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。
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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
吸附物沸点附近 表面化学 远高于吸附物的沸点 13
物理吸附与化学吸附 的本质可用图7-2的 势能曲线来说明。图 中描述了X2双原子气 体分子在金属M上吸 附的势能曲线。
化学吸附
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物理吸附
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物理吸附对于化学吸附有重要意义。如果不存在物
理吸附，则化学吸附的活化能等于X2的解离能，但 若先发生物理吸附，则将沿着能量低得多的途径接
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5.2.2固体的表面应力与表面张力 使固体新表面上的分子(或原子)维持在未形成
新表面前的位置上，单位长度所受到的力称 为表面应力，或称为拉伸应力。
固体的表面张力是新产生的两个固体表面的 表面应力的平均值。
s 1 2 / 2
式中，τ1和τ2为两个新表面的表面应力，通常
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。
V
p0
VmC p
p1 C 1)(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
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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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I型等温线
• IA型等温线 • IB型等温线
II型等温线 III型等温线 IV型等温线 V型等温线 VI型等温线
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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
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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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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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a V
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。
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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。