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固體的表面與孔

貝士德 2008-09-03 | 閱讀：3023

吸附分子可以分為兩種類型，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。另一種是化學吸附，即吸附質(zhì)分子和吸附劑之間形成表面化學鍵。我們在此僅討論物理吸附。氣體分子為什么能被固體表面吸附呢？這是因為固體表面的分子與內(nèi)部分子不同，存在剩余的表面自由力場，當氣體分子碰到固體表面時，其中一部分就被吸附，并釋放出吸附熱。在被吸附分子中，只有當其熱運動的動能足以克服吸附劑引力場的位壘時才能重新回到氣相，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。但是對與高分散的固體粉末來說，每單位重量的物質(zhì)所具有的表面積就很可觀了。例如對于圓球形小顆粒，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?？梢姳缺砻娣e與顆粒大小成反比，顆粒越小比表面積越大。若設T=3.0克（厘米）3，ｄ=1μ，則ó=2×104（厘米）2／克（或2米2／克），可見對于這樣的小顆粒，避免能的作用即吸附作用就將顯示的很突出了。在一上的計算機中，我們實際上將每個顆粒當作無孔的看待，所以計算的表面積稱為為表面積，而當每個顆粒內(nèi)部還包含許多不同形狀的孔時，顆粒內(nèi)部細孔的表面積即為內(nèi)表面積，它通常比外表面積還要大幾個數(shù)量級，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每克一千平方米以上，這時，表面積以及孔結(jié)構(gòu)對許多物質(zhì)的物理化學性能，以及在其上進行的物理化學過程的影響就更重要了。例如，異相催化反應是在催化劑微孔的表面上進行的，催化劑的表面狀態(tài)和孔結(jié)構(gòu)可以影響反應的活化能及級數(shù)，所以在石油煉制過程中，盡管使用同一化學成分的催化劑，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)的不同可以導致許多機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電極在容量上相差甚遠；而對吸附劑來說，表面積和孔結(jié)構(gòu)更是兩項重要指標；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)對于許多生產(chǎn)和科研項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）當平衡溫度T在吸附質(zhì)的臨界溫度以下時，則吸附質(zhì)的平衡壓力通常相對壓力x（x≡p/ ps）來表示，Ts為吸附質(zhì)在溫度T時的飽和蒸氣壓，此時 V= ?(ⅹ)T,氣體，固體（1.4）按照式（1.3）或（1.4）由V對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，而且還是過程方式，即當T、氣體及固體指定后，一定的相對壓力x還不能完全決定吸附量V，還要看這一定的相對壓力x 是從另一個什么其它的相對壓力ⅹ1變化來的，如果往往得到吸附回線。例如，由零升壓至相對壓力；而達到吸附平衡時的吸附量V升，與由x=1降至同一相對壓力x；而達到吸附平衡V降不相等，如圖1.2所示。