固体表面吸附

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氧吸附,把Pt在小于10-3Pa的氧压下加热,表面有化学吸附氧形成,此 吸附的氧可被H2或CO除去,生成H2O或CO2;
如果继续提高氧压并升高温度,氧会部分扩散至靠近表面区域的体相, 同时形成强结合的氧化物,其结合能高于250.8kJ/mol,它很难与H2或 CO以及其它还原气体作用。
但已知的Pt的体相氧化物没有如此高的热稳定性。
实际工业环境中,还可能存在CO2、SO2、NO2等各种污 染气体,它们吸附与材料表面形成各种化合物。
污染气体的化学吸附常存在有机物、盐等,与材料表面接 触后液留下痕迹。
金属表面被环境污染 的实际表面示意图
第二节 表面吸附热力学
根据热力学原理,化学吸附较物理吸附自由能的减少 值要大得多,或者说状态更加稳定。但是从动力学的 角度来说,化学吸附必须首先对原有的气体化学键进 行改组,是分子成为活化状态,然后才能与表面活性 原子进行键合,因此需要一定的活化能。对于双原子 分子气体,这个活化能即解离能。
2.表面化合物
当吸附物与固体表面的负电性相差较大,化学亲和力很强时,化学吸 附会在表面上导致新相的生成,即称为表面化合物。
表面化合物是一种二维化合物,该化合物不同于一般的化学吸附态, 因为它有一定的化合比例,且随着键合性质的不同表现的性能也不同; 它又不同于体相的化合物,不仅化合比不同,化合物的性质也不同, 而且通常的相图中也不存在。
吸附层原子或分子在晶体表面是有序排列还是 无序排列,与吸附的类型、吸附热、温度等因 素有关。例,在低温下惰性气体的吸附为物理 吸附,并在通常下是无序结构。
化学吸附往往是有序结构,排列方式有两种: 一是在表面原子排列的中心处吸附,二是在两 个原子或分子之间的桥吸附。具体的表面吸附 结构与吸附物质、基底材料、基底表面结构、 温度以及覆盖度等因素有关。
3.固体表面之间的吸附
当两固体表面之间接近到表面作用力的范围内时, 固体表面之间产生吸附作用。
如将两根新拉制的玻璃丝相互接触,他们就会相 互粘附。 注:固体的粘附作用只有当固体断面很小并且很清洁时 才能表现出来。
当固体表面暴露在一般的空气中就会吸附氧或者水蒸气, 甚至在一定的条件下发生化学反应而形成氧化物或者氢氧 化物。
目录
固体表面吸附
1.吸附现象 2.表面吸附热力学 3.表面吸附力 4.固体表面的吸附理论 5.固体表面的化学反应
固体表面原子的扩散
1.随机行走扩散理论与宏观扩散系数 2.表面扩散定律 3.表面的自扩散和多相扩散
固体表面吸附
吸附
吸附剂:表面上发生吸附作用的固体
吸附质:被吸附的气体等物质
第一节 随机行走扩散理论与宏观扩散系数
1.表面原子的扩散 表面扩散是指原子、离子、分子和小的原子簇等单个
实体在物体表面上的运动。
表面扩散的基本原因与体相中的扩散一样,是通过热 运动而活化的。要使一个原子离开它们的相邻原子沿 表面移动,对许多金属的表面原子来说,需要的能量 大约为62.7~209.4kJ/mol。
2.弗伦德利希(Freundlich)吸附等温方程式 x kp1/n m
x为吸附气体的质量 m为吸附剂质量 k,n是与温度、体系有关的常数。 公式是经验公式,在气体压力(或溶质浓度)不 太大也不太小时一般能很好的符合实验结果。
3.BET多分子吸附理论
由布龙瑙尔-埃梅特-泰勒(Brunauer-Emmett-Teller) 三人提出的多分子层吸附等温式。
吸附:由于物理或化学的作用力场,某物质分子附着或结合
在两相界面上的浓度与两相本体浓度不同的现象。
吸收:被吸附的物质渗入到固体体相中,被称为吸收。吸附
与吸收往往同时发生,很难区分。
应用:干燥剂、防毒面具、脱色剂、色谱、污水处理、
催化剂…
第一节 吸附现象
1.固体表面上气体的吸附
吸附现象的本质
表面有剩余力场
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。
总之,化学吸附相当与吸附剂表面分子与吸附质分子 发生了化学反应,在红外,紫外—可见光谱中会出现 新的特征吸收带。
2.固体表面上液体的吸附
(1)固体表面对溶液中溶质和溶剂的吸附
界面层上固体与溶质之间的相互作用力。 界面层上固体与溶剂之间的作用力 溶液中溶质与溶剂之间的相互作用力
结论:
固体与溶液中的吸附是溶质和溶剂分子在固体表面竞争吸 附的结果;
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。
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对于腐蚀和摩擦系统,有重大影响的化学反应就是随着氧 的吸附发生的氧化反应。其结果是形成表面氧化膜。
大多数金属表面都覆盖这一层约20个分子层厚的氧化膜。
当金属表面形成氧化物时,其结构也可能保持被氧化表面 的某些结构特征。
一般说来,由于实际金属表面特别是多晶体金属表面往往 包含很多缺陷:晶界、位错、台阶等,这些部位能量高, 氧化也就往往从这些高能位置开始,然后逐渐相周围区域 扩散,一直到将表面覆盖。另外,由于表面上个部位能量 不同,形成氧化物的厚度一般也是不均匀的。
1 1 1
m mCp
式中,C为吸附系数;γ为平衡压力为p时吸附量;γm为饱 和吸附量,即固体表面吸附满一层分子后的吸附量。
在推导该公式的过程引入了几个重要假设:
①吸附是单分子层的;
②固体表面是均匀的;
③被吸附分子之间无相互作用;
④吸附是动态平衡。
Langmuir吸附等温式的缺点:
①.假设吸附是单分子层的,与事实不符。 ②.假设表面是均匀的,其实大部分表面是不均匀的。 ③.在覆盖度θ 较大时,Langmuir吸附等温式不适用。
物理吸附与化学吸附
物理吸附的特点: 吸附力是由固体和气体分子之间的范德华引力产生的,
一般比较弱。 吸附热较小,接近于气体的液化热,一般在几个
kJ/mol以下。 吸附无选择性,任何固体可以吸附任何气体,只是吸
附量会有所不同。 吸附速度较快,但稳定性不高,解吸速率也很快。 吸附可以是单分子层的,也可以是多分子层的。 吸附不需要活化能,吸附速率不因温度升高而变快。
①吸附热力学基本方程
dUi = TdSi – pdVi + ΦdA + μidni 本式中,A为吸附面积;μi为i组分的化学位;ni为组 分i的物质的量;Φ为吸附之后单位面积上的吉布斯自 由能,也被称为表面压力;Ui为组分i的内能;Si为组 分i的熵;Vi为组分i的体积参数。
②吸附热 无论是物理吸附还是化学吸附,都是一个放热过程。 系统对外放热,该热称为吸附热。
固体表面的溶质浓度比溶液内部大,为正吸附;否则为负 吸附。
(2)固体表面对液体吸附的规律性和影响因素 固体表面对溶质或溶剂的吸附一般都有一定的选
择性,并受到许多因素的影响,主要表现如下: ①使固体表面自由能降低得越多的物质,越容易被吸附;
②与固体表面极性相近的物质较容易被吸附;
③与固体表面有相同性质或与固体表面晶格大小适当的 离子较易被吸附;
①色散力 色散力是因为该力的性质与光色散的原因之 间有着密切的联系。它来源于电子在轨道中运动而产 生的电矩的涨落,此涨落对相邻原子或离子诱导一个 相应的电矩;反过来又影响原来原子的电矩。
②诱导力 Debye曾发现一个分子的电荷分布要受到其他 分子电场的影响,因而提出了诱导力。当一个极性分 子接近一种金属或其他传到物质,对其表面将有一种 诱导作用,但诱导力的贡献比色散力的贡献低很多。
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。
吸附层是单原子或单分子层还是多原子或多原子层, 与具体的吸附环境有关。例,氧化硅在压力为饱和蒸 汽压的0.2~0.3倍时,表面吸附是单层的,只在趋于饱 和蒸汽压时才是多层的。
3.表面吸附力的影响因素 (1)吸附键性质会随温度的变化而变化 (2)吸附键断裂会随压力的变化而变化 (3)表面不均匀性会对表面键合力产生影响 (4)其他的吸附物对吸附键合会产生影响
第四节 固体表面的吸附理论
1. Langmuir 吸附理论
Langmuir吸附等温式描述了吸附量与吸附质压力之间的 定量关系。
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。
④溶解度小或吸附后生成化合物的物质,较易被吸附;
⑤固体表面带电时,较易吸附反电性离子或者易被极化 的离子;
⑥固体表面污染程度对吸附有很大影响;
⑦液体表面张力对吸附有重要的影响;
F固液=λ(1+cosθ) ⑧被吸附物质的浓度对吸附有影响;
⑨温度对吸附有影响。
因为吸附是放热过程,温度升高,吸附量会减少, 但有时温度的升高会影响溶质的溶剂化、表面张力 等其他影响因素,反而吸附量会增加。
基本假设: 1、吸附可以是多分子的 2、只有第一层吸附质分子与固体表面直接接触 3、固体表面是均匀的
V
Vm
( ps
cp p)[1 (c
1) p /
ps ]
式中两个常数为c和Vm,c是与吸附热有关的常数, Vm为铺满单分子层所需气体的体积。p和V分别为吸 附时的压力和体积,ps是实验温度下吸附质的饱和
在吸附的过程中,吸附热并不是一个常数。一般情况 下,随着吸附的进展,表面上的吸附物会不断的增多, 吸附热会逐渐减小。而且先吸附的位点是能量较高的 部分,后吸附的位点是能量较低的部分,因此,不同 位点所放出的吸附热也有差异。
第三节 表面吸附力
1.物理吸附力
物理吸附力是在所有的吸附剂与吸附质之间都存在的, 这种力相当于液体内部分子间的内聚力,视吸附剂和 吸附质的条件不同,其产生力的因素也不同。
但是,一方面由于原子热运动的不均匀性,随着温度 的升高有越来越多的表面原子可以得到足够的活化能, 以断掉与其相邻原子的价键而沿表面进行扩散运动; 另一方面,由于表面原子构造的特点,使得许多表面 原子的能量本来就不一样,在台阶、曲折以及位错、 空位、吸附原子等缺陷处,原子的能量比其他地方的 高,或者说高于平均表面能,有时在不高的温度下某 些原子就可以获得足够高的活化能而发生扩散。当温 度升高时,由此引起的表面扩散也将随之加剧。
总之,物理吸附仅仅是一种物理作用,没有电子转移, 没有化学键的生成与破坏,也没有原子重排等。
化学吸附的特点: 吸附力是由吸附剂与吸附质分子之间产生的化学键力,
一般较强。 吸附热较高,接近于化学反应热,一般在40kJ/mol以
上。 吸附有选择性,固体表面的活性位只吸附与之可发生
反应的气体分子,如酸位吸附碱性分子,反之亦然。 吸附很稳定,一旦吸附,就不轻易解吸。 吸附是单分子层的。 吸附需要活化能,温度升高,吸附和解吸速率加快。
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