化學吸附

化學吸附是物質表面研究領域中一個非常重要的分支，它在催化(尤其是異相催化)、腐蝕、電解、晶體學、金屬學及冶金學等諸多方面都有着重要的應用。人們對化學吸附的研究也是較早的，但是早期的研究由於實驗條件的限制，只能停留在較為基礎的研究水平上。又因理論得不到實驗的證實，使得早期的化學吸附研究發展很慢。20世紀60年代以後，由於固體物理學的發展和成熟以及各種電測技術、超高真空技術及與之相關的表面及薄膜制各技術的迅速發展，各種能譜儀、質譜儀、衍射儀和顯微技術不斷出現並日臻完善，使得人們有條件從原子、分子水平去探究化學吸附現象。從而，使得化學吸附的研究得到迅速的發展，即在理論上，建立了一系列的模型；在實驗上，獲得了大量的實驗數據 ^[1]  。

化學吸附的研究可分為宏觀理論、微觀理論、統計理論三個方面。本文着重從微觀角度對化學吸附進行介紹，因為它可以使人們從更深的層次去認識化學吸附的反應機制，從而使在這方面的研究不但具有理論意義，同時也具有很重要的實際意義。

化學吸附的主要特點是：僅發生單分子層吸附；吸附熱與化學反應熱相當；有選擇性；大多為不可逆吸附；吸附層能在較高温度下保持穩定等。化學吸附又可分為需要活化能的活化吸附(activated adsorption)和不需活化能的非活化吸附(non-activated adsorption)，前者吸附速度較慢，後者則較快。

化學吸附是多相催化反應的重要步驟。研究化學吸附對了解多相催化反應機理，實現催化反應工業化有重要意義。吸附特點與物理吸附相比，化學吸附主要有以下特點：①吸附所涉及的力與化學鍵力相當，比範德華力強得多。②吸附熱近似等於反應熱。③吸附是單分子層的。因此可用朗繆爾等温式描述，有時也可用弗羅因德利希公式描述。④有選擇性。⑤對温度和壓力具有不可逆性。另外，化學吸附還常常需要活化能。確定一種吸附是否是化學吸附，主要根據吸附熱和不可逆性。

可分3種情況：①氣體分子失去電子成為正離子，固體得到電子，結果是正離子被吸附在帶負電的固體表面上。②固體失去電子而氣體分子得到電子，結果是負離子被吸附在帶正電的固體表面上。③氣體與固體共有電子成共價鍵或配位鍵。例如氣體在金屬表面上的吸附就往往是由於氣體分子的電子與金屬原子的d電子形成共價鍵，或氣體分子提供一對電子與金屬原子成配位鍵而吸附的。

脈衝化學吸附，催化劑預處理、等温反應、BET比表面積。用於催化劑的表徵，如金屬分散度、活性金屬表面積、酸中心數量及強度分佈等。

在復相催化中，多數屬於固體表面催化氣相反應，它與固體表面吸附緊密相關。在這類催化反應中，至少有一種反應物是被固體表面化學吸附的，而且這種吸附是催化過程的關鍵步驟。在固體表面的吸附層中，氣體分子的密度要比氣相中高得多，但是催化劑加速反應一般並不是表面濃度增大的結果，而主要是因為被吸附分子、離子或基團具有高的反應活性。氣體分子在固體表面化學吸附時可能引起離解、變形等，可以大大提高它們的反應活性。因此，化學吸附的研究對闡明催化機理是十分重要的。化學吸附與固體表面結構有關。表面結構化學吸附的研究中有許多新方法和新技術，例如場發射顯微鏡、場離子顯微鏡、低能電子衍射、紅外光譜、核磁共振、電子能譜化學分析、同位素交換法等。其中場發射顯微鏡和場離子顯微鏡能直接觀察不同晶面上的吸附以及表面上個別原子的位置，故為各種表面的晶格缺陷、吸附性質及機理的研究提供了最直接的證據。

普通物體固體表面有吸附水中溶解及膠體物質的能力，比表面積很大的活性炭等具有很強的吸附能力，可用作吸附劑。根據吸附的工作原理，吸附又分為物理吸附和化學吸附。吸附劑和被吸附物質之間通過分子間範德華力產生的吸附，稱為物理吸附；而吸附劑與被吸附物質之間產生的化學作用，生成化學鍵引起吸附，稱為化學吸附。離子交換實際上也是一種吸附。

物理吸附和化學吸附並非是不相容的，而是隨着外界條件的變化可以相伴發生，但在一個系統中，某一種吸附是主要的。而在污水處理中，多數情況下，往往是幾種吸附的綜合結果。