Адсорбция и абсорбция газов

0

Изучение процессов поглощения газов твердыми телами привело к выводу, что следует различать два вида поглощения: адсорбцию, т. е. поглощение газа путем удерживания его поверхностью твердого тела, и абсорбцию, т. е. поглощение газа вследствие проникновения его внутрь твердого тела.

Физическая адсорбция. Обратимся к рассмотрению физической адсорбции газа. Какие силы заставляют ударившуюся о поверхность твердого тела молекулу газа удерживаться на этой поверхности Вспомним, что атом любого вещества имеет положительные заряды (в ядре) и отрицательные заряды (в виде электронной оболочки атома).

С приближением к поверхности твердого тела на расстояние одного порядка с атомными размерами (10-8 см) молекула газа попадает в электрическое поле поверхностных ионов твердого тела; под действием электрического поля происходит так называемая поляризация молекулы. Поляризация заключается в таком перемещении зарядов молекулы, что разноименные с ближайшим ионом заряды оказываются смещенными к этому иону, а одноименные в противоположную сторону (по закону Кулона).

На рис. 5-75 схематически показано-, как можно представлять себе расположение поляризованных молекул газа вблизи поверхности твердого тела. Молекулы изображены в виде овалов с двумя знаками зарядов; кружки с чередующимися знаками изображают находящиеся на поверхности твердого тела разноименные ионы кристаллической решетки; заметим, что ионы твердого тела могут быть и одноименными, например только- положительными (у металлов). Поляризованные молекулы газа, удерживаемые поверхностными ионами твердого тела, и составляют адсорбированный слой газа. Таким образом, адсорбция газа твердым телом является следствием электрического притяжения приблизившихся на атомное расстояние молекул газа ионами твердого тела.

Из только что сказанного следует, что количество газа, адсорбируемого- данным твердым телом, зависит от количества поверхностных ионов, способных своим электриче-. ским полем удерживать вблизи себя молекулы газа. Для краткости будем в дальнейшем называть эти ионы активными точками. Так как чем больше поверхность, тем больше на ней активных точек, то можно уже сделать практический вывод: при данной массе твердое тело обладает тем большей адсорбционной способностью, чем больше его поверхность; поэтому, например, высокой адсорбционной способностью обладают твердые тела с шероховатой поверхостью, особенно с большим количеством узких пор, или в порошкообразном виде.

Далее адсорбированные в активных точках молекулы газа принимают участие в тепловом (колебательном) движении атомов твердого тела и, -следовательно, так же как и последние, при достаточно большой амплитуде колебательного теплового движения испаряются с поверхности твердого тела. Таким образом, процесс адсорбции газа всегда сопровождается его- обратным испарением, количество же адсорбированного при данных услоа это значит, что для повышения адсорбционной способности твердого тела мы должны понижать его температуру; наоборот, если мы хотим удалить адсорбированную пленку газа, мы должны повышать температуру твердого тела.

Отсюда вытекает новый практический вывод: чтобы равновесное -состояние соответствовало возможно большему количеству адсорбированного газа, необходимо, чтобы скорость испарения была, по возможности, меньшей,

Наконец, необходимо разобрать, как происходит адсорбция в зависимости от давления газа, окружающего твердое тело.

Эта зависимость характеризуется кривыми, аналогичными изображенным на рис. 5-76. Участок кривой ab соответствует низким давлениям, когда не все активные точки заняты молекулами газа, чем и объясняется близкое для низких давлений кпропорциональности увеличение количества адсорбированного газа с повышением давления; участок же кривой Ьс соответствует более высоким давлениям, при которых все активные точки являются занятыми, почему, несмотря на возрастание давления от pi до р2, количество адсорбированного газа остается постоянным. Таким образом, слой газа, адсорбированного твердым телом в пределах давлений от нуля до р2, является одномолекулярным, т. е. толщина его не превышает размеров одной молекулы газа.

При давлениях, превышающих р2, снова начинается возрастание количества адсорбированного газа с давлением, когда на первый молекулярный слой накладываются новые и адсорбированный газ может образовать пленку, состоящую из большого количества молекулярных слоев.

Однако условия, при которых начинают получаться многомолекулярные пленки, можно осуществить только при достаточно больших давлениях газа и при условии, если газ при соприкосновении с твердым телом охлаждается до температуры ниже критической, так чтобы состояние газа было близко к сжижению. При нормальных же условиях многослойная адсорбция не происходит и, следовательно, максимальное количество газа, которое можно поглотить путем физической адсорбции по крайней мере на поверхностях нормальной шероховатости (непористых), не может превышать того количества, которое соответствует одномолекулярному слою.

Если для адсорбции газа пользоваться веществами типа-угля, силикагеля и т. п., обладающими огромным количеством очень узких пор, то и при низких давлениях может происходит многослойная адсорбция; последней благоприятствуют проявляющиеся здесь капиллярные силы; правда, и эта так называемая капиллярная адсорбция удается лишь при достаточно низких температурах твердого тела.

На рис. 5-76 нижняя кривая также выражает зависимость количества адсорбированного газа от давления, но уже при другой температуре Го, которая значительно выше Гь

Мы видим, что при более высокой температуре адсорбция также возрастает с давлением, но количество адсорбированного газа при том же давлении значительно меньше.

Химическая адсорбция. Химическая адсорбция аналогично физической также является следствием попадания молекул газа в сферу действия электрического поля поверхностных ионов твердого тела. Однако химическая адсорбция обусловливается более глубокими изменениями адсорбируемых молекул газа, в результате которых они становятся более активными. К таким измёнениям относятся, например, диссоциация молекулы на атомы, перераспределение электронов, входящих в состав молекулы, и т. п.

В связи с необходимостью для химической адсорбции приведения молекул газа в более активное состояние в большинстве случаев для поглощения газа этим путем приходится повышать температуру твердого тела; однако если твердое тело с химически адсорбированным газом подвергать нагреванию до температуры, более высокой, чем это требуется для устойчивости адсорбированного слоя, то газ можно снова согнать с поверхности или в прежнем виде, или в виде химического соединения с твердым телом.

Отметим, что часто трудно определить вид происходящей (химической или физической) адсорбции.

Абсорбция. Следует различать два вида абсорбции: образование твердого раствора и химическую реакцию между твердым телом и соприкасающимся с ним газом.

Твердый раствор получается путем проникновения газа внутрь кристаллической решетки твердого тела, при котором молекулы газа располагаются между ионами решетки.

Количество поглощаемого таким путем газа зависит от давления, причем, если молекулы газа при растворении не диссоциируют на атомы, то растворимость газа при постоянной температуре прямо пропорциональна давлению; если же молекулы газа при растворении претерпевают диссоциацию, то наблюдается пропорциональность растворимости квадратному корню из давления.

Количество газа, поглощаемого твердым телом путем образования твердого раствора, зависит также от температуры, но общей закономерности не существует: растворимость одного и того1 же газа в зависимости от рода поглотителя и от начальной температуры может с повышением температуры и уменьшаться и увеличиваться.

Абсорбция газа вследствие химической реакции между твердым телом и окружающим его газом приводит к образованию нового химического соединения в твердом виде.

Количество поглощаемого таким путем газа зависит от его давления и температуры твердого тела, причем реакция и, Следовательно, поглощение газа химическим путем заканчиваются, когда наступает равновесие между количеством газа, вступающим в реакцию, и количеством газа, выделяющимся обратно вследствие диссоциации того химического соединения, которое дает газ с твердым телом; остаточное равновеоное давление газа называется давлением диссоциации.

Химическое соединение газа с твердым телом, образующееся в результате абсорбции, входит в состав последнего, или растворяясь в нем, или в виде слоя преимущественно на поверхности твердого тела.

Необходимо отметить особый вид поглощения газа, которое приводит к проникновению его также внутрь твердого тела, но которое все же следует рассматривать как адсорбцию. Такое поглощение происходит путем диффузии адсорбируемого газа с поверхности внутрь твердого тела по граням кристаллов, причем диффундирующий газ не заходит внутрь кристаллической решетки, а образует лишь на гранях кристаллов одномолекулярную пленку. Такого рода поглощение таза аналогично адсорбции пористыми телами.

Оценивая оба вида абсорбции газа с точки зрения получения высокого вакуума, мы не можем прийти к таким же определенным общим закономерностям, как это имеет место в случае адсорбции. Можно только отметить, что с точки зрения прочности удерживания газа в абсорбированном состоянии в твердом теле преимуществом обладает абсорбция путем химической реакции. Однако в качестве средства получения и сохранения вакуума в электровакуумном приборе широко применяются оба вида абсорбции. Обратно удалить газ, абсорбированный твердым телом, удается лишь его нагреванием до достаточно высокой температуры и при достаточно низком давлении окружающего газа. —

Leave A Reply