3.1.13. Физическая и химическая адсорбция на поверхностях

С точки зрения поведения газов и паров на поверхностях, находящихся в условиях высокого вакуума, рассмотренные ранее связи молекул и атомов с поверхностями можно разделить на физические и химические (фиг. 3.10). Однако установление четкой границы между этими видами связей часто бывает затруднительным.

Частица, связанная физической адсорбцией, не изменяет своих индивидуальных свойств, а процесс такой адсорбции близок к процессу конденсации. В этом случае, чтобы вызвать десорбцию, следует подвести теплоту десорбции (равную теплоте адсорбции). Физическая адсорбция характерна для частиц ожиженных газов.

В отличие от физической химическая адсорбция (хемосорбция) осуществляется с помощью обменных сил электронов (валентных энергий). Эти связи иногда сопровождаются диссоциацией молекул газа на атомы, а равновесие системы атомы газа — атомы поверхности существует для расстояний между атомами порядка нескольких десятых долей нанометра (меньших, чем при физической адсорбции). Энергия, соответствующая этому виду связей, превышает 10 ккал•моль-1, а для сильных связей достигает 200 и более ккал•моль-1(химическая связь).

Хемосорбция в большей степени, чем физическая адсорбция, зависит от рода поверхности и происходит медленнее; с повышением температуры она ускоряется. Обычно хемосорбция протекает вслед за физической адсорбцией по мере поступления дополнительной энергии, содействующей приближению атомов к поверхности, При этом может произойти химическая реакция, в процессе которой атом поверхности высвобождается из поверхностной структуры и взаимодействует с атомом газа, образуя новое химическое соединение. Если реакция, которая при этом происходит, является экзотермической, то выделяющейся тепловой энергии более чем достаточно для продолжения реакции.

Применительно к вакуумной технике большое значение имеют связи между поверхностями, находящимися в вакууме, и откачиваемыми газами.

Поверхности, с которыми обычно приходится иметь дело в вакуумной технике, выполнены из металлов переходной группы (никеля железа, меди, молибдена, титана) и стекла. Из газов в области очень высокого вакуума чаще всего встречаются (кроме следов газов окружения) окись углерода СО, водород Н2 метан СН4 Водород выделяется при разложении паров масел и воды на горячих электродах. Аналогичные процессы приводят к выделению углерода, в результате реакции которого с кислородом Образуемся окись углерода СО, а с водородом Н2 и окисью углерода СО – метан СН4

Физические связи с поверхностями характерны лишь для нейтральных газов; газы же активные чаще связываются химически. Но если нейтральные газы находятся в состоянии возбуждения или ионизации (особенно когда их ионы ударяются о поверхность с большими скоростями, приобретенными под влиянием электрических полей), то эти газы при определенных условиях могут внедряться в глубь материала и находиться там в абсорбированном состоянии, Явление внедрения молекул газа имеет определенное практическое значение при откачке инертных газов чистыми слоями металла.

В табл 3 5 приведены величины, характеризующие энергию связи некоторых газов на поверхности вольфрама W никеля N и платины Pt. Можно видеть, что инертные газы, перечисленные в начале табл. 3.5, имеют связи физической природы. По мере увеличения энергии связи сами связи приобретают химическую природу. В табл. 3.5 приведены также энергии миграции на поверхности вольфрама для некоторых газов