第5章 固-气界面的物理吸附
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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。
吸附现象前面我们所讨论的是气体分子在空间的现象,属于气体分子运动轮的范畴,并未涉及到固体表面与气体分子的相互作用机理。
现在我们要讨论的是固——气界面现象,这类现象对超高真空技术极其重要,因为此时分子间的碰撞已可忽略不计,起关键作用的只是分子与表面的碰撞。
1、 固——气表面的作用处在稀薄气体中的一个表面,不论受到中性气体分子的碰撞,或是电子、离子、光子等粒子的作用,都要发生一系列的物理现象。
这些现象发生在表面上,但却不可避免要导致空间的效果。
例如中性分子与表面的碰撞,在单位面积的表面上,每秒钟要遭受V n v 41=次的分子碰撞。
如果表面在开始时是干净的,在将有一部分分子不立刻返回气相,而暂时留在表面上,出现了吸附现象。
反之,在一定条件下,这些吸附分子又可重新释放出,返回空间。
气体分子在表面与空间之间的这种相互转换,在真空技术中有特别重要的意义。
例如,设有一个体积为一升的球形容器,如果其内表面吸附有单分子层气体,则表面上共吸附有约5×1017个分子。
而这些分子全部脱附,变为气体,则将在容器中造成1.4×10-2托的压强,即使不是全部,而是1%脱附,亦将造成1.4×10-4托的压强。
在电真空器件中,这是十分可观的压强,能导致大部分器件报废。
而反过来,若能将气相分子转换为表面吸附分子,则能实现抽气作用,各种吸附泵就是根据这个原理制成的。
气体分子在表面与空间的相互转换也给真空测量带来一系列困难。
当带电粒撞击表面时,除造成气体脱附外,还能引起电子、离子、光子等的发射,使得气体压强、成分及空间的电流发生变化。
情况就更为复杂了。
2、 固体表面对分子的作用固体是由大量分子组成的,固体表面对气体分子的作用力实际上是构成固体的大量分子对其的作用力的总和。
而分子与分子之间的作用力有两类,一类是范德瓦尔力,一类是化学吸附力。
范德瓦尔力又称物理吸附力,它存在于任何气体分子之间。
它包括(1) 静电力:极性分子与极性分子之间的作用力。