物理化学5.6 BET多分子层吸附理论

BET 理论:S.Brunauer(布鲁尼尔)、P.Emmett（埃密特）和E.Teller（特勒）于1938年提出的BET多分子层吸附理论,其表达方程即BET方程，推导所采用的模型的基本假设是：一、固体表面是均匀的，发生多层吸附；二、除第一层的吸附热外其余各层的吸附热等于吸附质的液化热。

推导有热力学角度和动力学角度两种方法，均以此假设为基础。

由其假设可以看出BET方程推导中，把第二层开始的吸附看成是吸附质本身的凝聚，没有考虑第一层以外的吸附与固体吸附剂本身的关系（详细BET二常数和三常数方程，其热力学和动力学的推导，若需要可提供）。

大量实验也证实，固体吸附剂的不同所造成其本身表面能不同而对吸附质第一层以外的吸附的影响是很弱的。

对于低温氮吸附法，氮气作为吸附质，BET方程成立的条件是要求氮气分压范围为0.05-0.35，其原因也就出于此两个假设（在相对压力小于0.05时建立不起多层物理吸附平衡，甚至连单分子物理吸附也远未形成；而在相对压力大于0.35时，孔结构使毛细凝聚的影响突显，定量性及线性变差）。

B.E.T.方程:P／V(Pо-P)=[1／Vm×C ]﹢[﹙C-1／Vm×C﹚×﹙P／Pо﹚]式中：P: 氮气分压P0: 液氮温度下，氮气的饱和蒸汽压V: 样品表面氮气的实际吸附量Vm: 氮气单层饱和吸附量C : 与样品吸附能力相关的常数。

推导过程：比表面积的测定与计算1．Langmuir 吸附等温方程――Langmuir 比表面（1）Langmuir 理论模型吸附剂的表面是均匀的，各吸附中心的能量相同；吸附粒子间的相互作用可以忽略；吸附粒子与空的吸附中心碰撞才有可能被吸附，一个吸附粒子只占据一个吸附中心，吸附是单层的，定位的；在一定条件下，吸附速率与脱附速率相等，达到吸附平衡。

（2）等温方程吸附速率：ra∝(1-θ)P ra=ka(1-θ)P脱附速率rd∝θ rd=kdθ达到吸附平衡时：ka(1-θ)P=kdθ其中，θ=Va/Vm（Va―气体吸附质的吸附量；Vm--单分子层饱和吸附容量，mol/g），为吸附剂表面被气体分子覆盖的分数，即覆盖度。

42气固吸附理论气固吸附是界面吸附的一个主要组成部分，它涉及到催化、气体的净化和分离、环境保护等工业过程，具有重要的应用背景。

二十世纪前半期，人们已相继提出了许多吸附等温方程，并从模型入手建立了若干气固吸附理论，使吸附现象得到了定量乃至本质的描述。

本专题旨在介绍几个有影响的气固吸附理论和吸附等温式。

1. Langmuir 单分子层吸附理论1916年，美国物理化学家Langmuir Irving （朗缪尔）根据固体表面原子的力的不饱和性和分子间作用力随距离增大迅速衰减的事实，首先提出了一个单分子层吸附理论，这个理论建立在如下模型的基础上：① 固体表面存在一定数量的活性位site) (active ，它们能够吸附气体分子，但每个活性位只能吸附一个分子，因此，吸附是单分子层的。

② 这些活性位均匀地分布在固体表面上，且每一个活性位具有相同的吸附活性，或者说，无论气体分子吸附在哪个活性位上，释放的热量是一样的。

③ 已吸附的气体分子间不相互作用，换句话说，气体分子的吸附和脱附均与已吸附的周围分子无关。

于是，Langmuir 根据吸附达动态平衡时，吸附速率应等于脱附速率，用动力学方法作了如下推导：设吸附达平衡时，已被吸附的活性位占总活性位的分数为θ，气体的平衡压力为p ，则吸附速率不仅与压力p 成正比，而且也应与裸露的活性位分数θ−1成正比，即)1(θα−=p r a (42-1)式中α为比例系数。

脱附速率则除了与活性位的覆盖分数θ成正比外，还应与已吸附的气体分子中具有逃离活性位所需能量的分子分数成正比。

这个分子分数按Boltzmann 分布定律可表示为RTq kTf qN N //a *a aae e −−==ε (42-2)式中a N 是已吸附的气体分子总数；*a N 是具有逃离活性位所需最低能量a ε的分子数；q 是已吸附分子的配分函数，对于指定的温度和系统，这个定域子的配分函数是一个常数。

它的倒数即f ；k 是Boltzmann 常数；m ads a a H L q Δ−==ε即吸附能或吸附热的绝对值。

计算机模拟在物理化学BET多分子层吸附理论教学中的应用计算机模拟技术在物理化学领域中的应用日益广泛，尤其在BET多分子层吸附理论教学中发挥着重要的作用。

本文将重点探讨计算机模拟在物理化学BET多分子层吸附理论教学中的应用，并具体介绍其原理、方法以及优势。

一、计算机模拟在物理化学BET多分子层吸附理论教学中的原理物理化学BET多分子层吸附理论是研究气体吸附在固体表面上的现象与规律的重要理论框架。

计算机模拟通过利用数值计算方法，模拟和描述分子间相互作用、粒子在时间和空间上的运动以及相应的物理化学过程。

在BET多分子层吸附理论教学中，计算机模拟可以模拟分子吸附过程中的各种参数，包括吸附位点、吸附量、吸附平衡等，从而帮助学生深入理解该理论的内涵和应用。

二、计算机模拟在物理化学BET多分子层吸附理论教学中的方法1. 分子动力学模拟：通过解决分子运动方程模拟分子在固体表面的吸附行为，研究吸附过程中的能量变化、粒子间的相互作用等重要参数。

这种方法可以直观地展示吸附过程中各个分子的运动轨迹和相互作用，有效地辅助学生理解BET多分子层吸附理论的基本原理。

2. 蒙特卡洛模拟：通过构建吸附模型，运用随机采样的方法模拟分子在固体表面上的吸附行为。

学生可以通过调整各种参数，观察模拟结果的变化，并与实验数据进行对比，从而更加直观地了解BET吸附理论的应用。

三、计算机模拟在物理化学BET多分子层吸附理论教学中的优势1. 提供直观的可视化效果：计算机模拟可以通过图像、动画等形式直观地展示分子的吸附过程和相互作用，使学生更好地理解抽象的物理化学概念和理论。

2. 研究参数调节灵活：通过调整模拟的各种参数，如温度、压力、吸附位点等，可以帮助学生探究BET吸附理论中各个参数对吸附行为的影响，培养学生的实验设计和数据分析能力。

3. 提高学生的科学研究能力：通过模拟实验设计和数据分析，学生可以充分发挥自主学习的能力，锻炼科学研究的思维方式和能力。

多分子层吸附一、什么是多分子层吸附？多分子层吸附是指在固体表面上形成多个分子层的吸附现象。

在这种吸附过程中，第一层分子被吸附在固体表面上，而第二层及以后的分子则被吸附在前一层已经吸附的分子表面上。

这种吸附方式通常发生在高浓度溶液中，其中溶液中的分子会相互作用并形成一个稳定的多分子层。

二、多分子层吸附的特点1. 多样性：由于每个溶质都可以被捕获和固定在表面上，因此可以形成非常复杂的混合物。

2. 高度选择性：不同类型和大小的溶质可以选择性地被捕获和固定在表面上。

3. 大容量：由于每个溶质都可以形成多个层次，因此可以大大增加容量。

4. 可再生性：通过改变实验条件或使用逆向流动，可将之前固定的溶质从表面去除，使其重新可用。

三、多分子层吸附的应用1. 分离和纯化多分子层吸附已经被广泛应用于分离和纯化生物大分子，如蛋白质、抗体和核酸。

通过选择性地捕获目标分子并将其固定在表面上，可以有效地去除其他杂质分子。

2. 生物传感器多分子层吸附也可以用于制备生物传感器。

通过将特定的生物分子固定在表面上，可以实现对目标生物分子的高灵敏度检测。

3. 药物输送多分子层吸附还可以用于药物输送。

通过将药物固定在表面上，并使用逆向流动来释放药物，可以实现精确的药物输送。

4. 涂料和涂层多分子层吸附还可以用于制备具有特殊性质的涂料和涂层。

例如，通过固定具有亲水性或疏水性的化合物，可以制备具有自清洁或防水性能的涂料。

四、多分子层吸附的实验方法1. 表面等电点法：该方法基于溶解度差异和电荷相互作用原理，在不同pH值下测量表面电位变化，从而确定最佳pH值进行吸附。

2. 静态吸附法：该方法通过在一定浓度下将溶液与固体接触，使其静置一段时间，然后分析吸附后的溶液中的残余浓度，从而确定吸附量。

3. 动态吸附法：该方法通过将固体放置在流动液体中，使溶液经过固体表面，并测量进出口浓度差异来确定吸附量。

五、多分子层吸附的局限性1. 吸附速度慢：由于多分子层吸附需要形成多个分子层，因此其吸附速度相对较慢。