5.2.2. Криосорбция - Ашкинази Л.А.

При работе с насосами, в которых газ конденсируется на холодной поверхности и замерзает, было обнаружено, что они откачивают газы, которые при данной температуре конденси­роваться не должны. Оказалось, что уже намерзшие слои одних газов вполне эффективно могут сорбировать другие. На рис. 52 показано, какое количество молей Не, Ne и Н₂  может сорбировать моль С0₂, сконденсированный на стенке ва­куумной камеры, при различных температурах и в зависимости от давления. Видно, что на слое С0₂ при температуре жидкого водорода, в отличие от простой конденсации, сорбция Н₂ эффективна. Одна из причин этого эффекта — пористость, рыхлость осадков сконденсированного газа. Называется этот эффект «криозахватом».

Обратимся к рис. 52. Кривые на этом рисунке называются «изотермы сорбции» — это зависимости количества сорбиро­ванного газа от его давления при постоянной температуре. Например, активированный уголь при температуре 78 К и дав­лениях 10~⁸, 10~⁶, 10~⁴, Ю^-2 Па поглощает соответственно Ю^-2, 10², 2 • 10², 3 ■ 10² м³ -Па/кг азота или других газов (кроме Не, Ne, Н₂). Видно, что при малых давлениях количество сорбиро­ванного вещества пропорционально давлению, а при больших давлениях рост замедляется. Почему изотермы сорбции имеют такой вид? Количество сорбируемых в единицу времени атомов равно вероятности сорбции, умноженной на количество атомов (молекул), ударяющихся о стенку в единицу времени, и умноженной на долю свободной от сорбированных атомов поверхности. Это произведение пропорционально Р(1 — 0), где Р — давление, 6 — доля покрытой поверхности. Количество десорбирующихся в единицу времени атомов пропорционально 6. При равновесии эти потоки равны: Р(\ —6)= С0, где С — постоянная. Отсюда 0 = Р/(Р + С); при малых Р сорбированное количество 0 пропорционально Р, а при больших Р рост 0 действительно замедляется.

На самом же деле все гораздо сложнее. Например, энергия сорбции зависит от 0, поэтому скорость десорбции не про­порциональна 0, а растет быстрее — когда сорбированных атомов много, они слабее держатся на поверхности. Кроме того, при некоторых условиях может сорбироваться больше, чем один монослой (т. е. возможно 0 > 1). Поэтому сущест­вует много разных математических выражений для изо­термы сорбции, с разной точностью описывающей поведение разных газов в разных условиях. Выражение, которое мы получили, — простейшее.