物理吸附與化學吸附的主要差異
在材料吸附的相關應用中,雖然吸附劑的吸附能力,是評估吸附劑適用程度的一項重要指標。但並不是絕對的,因爲在不同的應用中,因爲使用環境條件的差異,以及功能上的要求,需要在不同的特性指標上做一些取捨。比方說,在環保的相關應用上,若是吸附劑只能一次性使用,即使吸附能力再好,卻產生大量的吸附劑廢物,這樣一來不但一點都不環保,反而造成環境更大的負擔,在這類的應用中,能夠重複使用的吸附劑,將會更受歡迎。
先前在《材料吸附科學的相關簡介》一文當中,我們已經對物理吸附與化學吸附有了基本的認識,本文則是針對兩種吸附原理在各方面的差異,分門別類一一介紹。
物理吸附特性
低吸附焓:吸附劑和被吸附物分子之間的吸引力(凡得瓦力)較弱,因此莫耳吸附焓低(mole enthalpy of adsorption)。
可逆性:物理吸附過程通常是可逆的,因此可以迅速達到平衡:
固體 + 氣體 <==> 氣體/固體 + 熱
當我們增加壓力(或減少體積)時,平衡正向移動,即吸附增加。更多的氣體被吸附。反之,可以降低壓力來移除氣體。
溫度的影響:由於吸附過程是放熱的,因此物理吸附在低溫下很容易發生。根據勒沙特列原理 (Le-Chatelier’s Principle),吸附劑的吸附能力,會隨著溫度的升高而降低。因爲在高溫環境,氣體分子的動能增加,更溶液離開吸附劑表面。
缺乏選擇性:物理吸附在本質上沒有選擇性,也就是所有氣體,都能以相同的程度,吸附在所有固體吸附劑。這是因爲吸附劑表面的凡得瓦力,對特定氣體沒有任何偏好。
被吸附物的性質:容易液化的氣體(即具有較高臨界溫度)很容易被吸附,因爲凡得瓦力在臨界溫度附近會更強。
被吸附物狀態:在物理吸附中,吸附劑上的被吸附物的狀態,與吸附前的相同不變。
化學吸附特性
高吸附焓:吸附劑和被吸附物,其分子之間的吸引力是強化學鍵,因此莫耳吸附焓很高。
不可逆轉:化學吸附涉及化合物的形成,過程不可逆。
溫度的影響:化學吸附能力,一開始會隨著溫度的升高而增加,達到一定程度後,有規律地降低。通過物理吸附在低溫下吸附的氣體, 有可能在高溫下變爲化學吸附。
高選擇性:化學吸附涉及被吸附物分子,與吸附劑表面之間形成化學鍵。因此,它具有很高的選擇性。化學吸附取決於氣體和吸附劑的化學性質。例如:氧通過氧化物的形成,吸附在金屬上,氫通過氫化物的形成,被過渡金屬吸附。
被吸附物的狀況:由於在這種吸附中,被吸附物會發生化學反應,因此,吸附之後,被吸附物的狀態,可能因此改變。
物理吸附與化學吸附比較
下表可快速比較出物理吸附跟化學吸附的差異:
特性 |
物理吸附 |
化學吸附 |
吸附力 |
弱 |
強 |
吸附焓 |
低 (20 to 40 kJ/mol) |
高 (80 to 240 kJ/mol) |
可逆性 |
可逆 |
不可逆 |
溫度條件 |
低 ,溫度升高吸附力降低 |
高溫,隨溫度升高增加至飽和爲止 |
選擇性 |
對被吸附物沒有選擇性 |
選擇性高,需形成化學鍵才發生吸附 |
狀態 |
被吸附物狀態不變 |
被吸附物狀態可能改變 |