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固體的表面與孔

貝士德 2008-09-03 | 閱讀：2975

吸附分子可以分為兩種類(lèi)型，一種為物理吸附，即吸附質(zhì)分子與吸附劑之間的作用是范德華（van der Waals）引力。另一種是化學(xué)吸附，即吸附質(zhì)分子和吸附劑之間形成表面化學(xué)鍵。我們?cè)诖藘H討論物理吸附。氣體分子為什么能被固體表面吸附呢？這是因?yàn)楣腆w表面的分子與內(nèi)部分子不同，存在剩余的表面自由力場(chǎng)，當(dāng)氣體分子碰到固體表面時(shí)，其中一部分就被吸附，并釋放出吸附熱。在被吸附分子中，只有當(dāng)其熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能足以克服吸附劑引力場(chǎng)的位壘時(shí)才能重新回到氣相，所以在與氣體接觸的固體表面上，總是保留著許多被吸附分子。在通常情況下，我們接觸的死大塊固體，這樣每單位的重量的物質(zhì)所具有的表面積是較小的，故表面能的作用不明顯，吸附現(xiàn)象也不明顯。但是對(duì)與高分散的固體粉末來(lái)說(shuō)，每單位重量的物質(zhì)所具有的表面積就很可觀了。例如對(duì)于圓球形小顆粒，它的比表面積ó(每克物質(zhì)所具有的比表面積)可以表示為 ó=n4πr2＝___ 4πr2___=___3___=__6__ (1.1) 4/3πr3×T Tr Td 其中n為每克物質(zhì)包含的小顆粒數(shù)，r及ｄ分別表示小顆粒的半徑和直徑，T為固體的密度?？梢?jiàn)比表面積與顆粒大小成反比，顆粒越小比表面積越大。若設(shè)T=3.0克（厘米）3，ｄ=1μ，則ó=2×104（厘米）2／克（或2米2／克），可見(jiàn)對(duì)于這樣的小顆粒，避免能的作用即吸附作用就將顯示的很突出了。在一上的計(jì)算機(jī)中，我們實(shí)際上將每個(gè)顆粒當(dāng)作無(wú)孔的看待，所以計(jì)算的表面積稱為為表面積，而當(dāng)每個(gè)顆粒內(nèi)部還包含許多不同形狀的孔時(shí)，顆粒內(nèi)部細(xì)孔的表面積即為內(nèi)表面積，它通常比外表面積還要大幾個(gè)數(shù)量級(jí)，孔愈小愈多，表面積就愈大，例如一般的色譜固定相比表面積通常為每克數(shù)百平方米，而活性炭比表面積可達(dá)每克一千平方米以上，這時(shí)，表面積以及孔結(jié)構(gòu)對(duì)許多物質(zhì)的物理化學(xué)性能，以及在其上進(jìn)行的物理化學(xué)過(guò)程的影響就更重要了。例如，異相催化反應(yīng)是在催化劑微孔的表面上進(jìn)行的，催化劑的表面狀態(tài)和孔結(jié)構(gòu)可以影響反應(yīng)的活化能及級(jí)數(shù)，所以在石油煉制過(guò)程中，盡管使用同一化學(xué)成分的催化劑，只是由于催化劑在比表面積和孔徑分布上有差別，就可能導(dǎo)致油品產(chǎn)量和質(zhì)量上有極大的差別；在混凝土制品中，由于孔結(jié)構(gòu)的不同可以導(dǎo)致許多機(jī)械性能及防凍性能有很大的不同；表面積的差別可以使得化學(xué)電極在容量上相差甚遠(yuǎn)；而對(duì)吸附劑來(lái)說(shuō)，表面積和孔結(jié)構(gòu)更是兩項(xiàng)重要指標(biāo)；又如粉末織金的原料、橡膠中的填充料等，固體的比表面積及孔結(jié)構(gòu)對(duì)于許多生產(chǎn)和科研項(xiàng)目都都是極重要的參數(shù)。三吸附等溫線氣體在每克固體表面的吸附量V依賴于氣體的性質(zhì)、固體表面的性質(zhì)、吸附平衡的溫度T以及吸附質(zhì)的平衡壓力p?其函數(shù)關(guān)系可以表示為 V= ?（T,p，氣體，固體）（1.2）當(dāng)給定了吸附劑?吸附質(zhì)及吸附平衡溫度后，則吸附量V就只是吸附質(zhì)的平衡壓力p的函數(shù) V=?（p）T,，氣體，固體（1.3）當(dāng)平衡溫度T在吸附質(zhì)的臨界溫度以下時(shí)，則吸附質(zhì)的平衡壓力通常相對(duì)壓力x（x≡p/ ps）來(lái)表示，Ts為吸附質(zhì)在溫度T時(shí)的飽和蒸氣壓，此時(shí) V= ?(ⅹ)T,氣體，固體（1.4）按照式（1.3）或（1.4）由V對(duì)p或X作圖得到的曲線稱為吸附等溫線，如圖1.1所示圖1.1吸附等溫線圖1.2 吸附等溫線在由的情況下，即對(duì)于某種吸附質(zhì)與吸附劑的組合，式（1.4）不只是狀態(tài)方式，而且還是過(guò)程方式，即當(dāng)T、氣體及固體指定后，一定的相對(duì)壓力x還不能完全決定吸附量V，還要看這一定的相對(duì)壓力x 是從另一個(gè)什么其它的相對(duì)壓力ⅹ1變化來(lái)的，如果往往得到吸附回線。例如，由零升壓至相對(duì)壓力；而達(dá)到吸附平衡時(shí)的吸附量V升，與由x=1降至同一相對(duì)壓力x；而達(dá)到吸附平衡V降不相等，如圖1.2所示。