Сорбционные явления в вакууме

Процесс поглощения газов или паров твердыми телами неза­висимо от того, происходит он на поверхности или в объеме твердого тела, называется сорбцией, а процесс поглощения газов на поверх­ности твердых тел - адсорбцией. Различают физическую адсорбцию и хемосорбцию. Абсорбция - это поглощение газов в объеме твердых тел. В процессе абсорбции газ растворяется в объеме твердого тела.

Вещество, поглощающее газ, называется сорбентом (адсорбентом, абсорбентом), а поглощаемое вещество - сорбатом (адсорбатом, абсорбатом). Выделение газов из твердого тела - десорбция.

Сорбция - процесс экзотермический. При поглощении молекул га­за выделяется энергия сорбционного взаимодействия, имеющая физи­ческую Q_ф и химическую Q_х природу.

Физическая составляющая энергии взаимодействия определяется следующими эффектами, обеспечивающими притяжение и отталкивание молекул: индукционный эффект притяжения при взаимодействии посто­янного и индуцированного диполей имеет место, если хотя бы одна из

взаимодействующих молекул обладает постоянным дипольным моментом;

ориентационный эффект притяжения наблюдается для двух молекул с

постоянными дипольными моментами; дисперсионный эффект притяжения

имеет место при взаимодействии флуктуирующих диполей, создаваемых

электронами, вращающимися вокруг ядра.

Отталкивание объясняется взаимодействием положительно заря­женных ядер сближающихся молекул. Энергия отталкивания Q_о обратно пропорциональна двенадцатой степени расстояния между молеку­лами: Qo=B/r¹².

С учетом всех эффектов энергию взаимодействия между двумя молекулами можно записать Q=Q_о-Q_ф-Q_х. При Q=0 наблюдается равно-

весие, при котором энергии отталкивания и притяжения равны.

Энергия взаимодействия молекулы с твердым телом

(1.22)

где n и V - концентрация и объем атомов адсорбента. После интегри­рования составляющая энергии притяжения пропорциональна третьей, а отталкивания девятой степени расстояния между молекулой и поверх­ностью. Уравнение (1.22) можно представить в графической форме в виде потенциальных кривых, рис.1.2.

Рис. 1.2.

С приближением к поверхности молекула сначала оказывается в первой потенциальной яме. При этом наблюдается физическая адсорбция. Молекула с энергией поступательного движения kT/2 будет колебаться внутри потенциальной ямы между r_Ф1 и r_Ф2. Если энергия молекулы пре­вышает φ_ф+φ_акт то она диссоциирует на атомы, которые химически взаимодействуют с поверхностью. При этом атомы попадают во вторую потенциальную яму и колеблются в ней между r_Х1 и r_Х2.

Следующий этап процесса поглощения - абсорбция, которая ха­рактеризуется переходом хемосорбированных молекул газа в кристал­лическую решетку твердого тела.

Десорбция газа наблюдается в обратном порядке. Молекулы из твердого тела переходят в хемосорбированное состояние, откуда при достаточно высокой энергии молекул kT/2>f_х+f_акт они могут покинуть поверхность. Для удаления молекул из первой потенциальной ямы должно соблюдаться условие kT/2>f_ф.

На практике для удаления хемосорбированного газа адсорбент нагревают до температур 300-400ºС.

Дата добавления: 2015-07-20