由于化學(xué)吸附與物理吸附的內(nèi)在本質(zhì)之間的差異,其宏觀表現(xiàn)亦有所不同,一般說來,物理吸附的吸附熱與冷凝熱具有相同的數(shù)量級,即零點(diǎn)幾kcal·mol-1(1~2kJ·mol-1)以下,而化學(xué)吸附的吸附熱與化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)相接近,比物理吸附的吸附熱大一二個(gè)數(shù)量級。如氧在碳上的化學(xué)吸附熱為80kcal·mol-1(335kJ·mol-1)而碳的燃燒熱為94kcal·mol-1(393kJ·mol-1)。其值可相比擬,當(dāng)吸附了氧的碳在真空中脫附時(shí),有一氧化碳逸出,表明已形成穩(wěn)定的化合物。兩種吸附熱之間的這種差異,顯然可以用物理吸附所憑借的van der Waals力比化學(xué)吸附的相互作用力小得多來說明。同時(shí)可以理解物理吸附往往發(fā)生于接近于氣體凝聚液化的條件,而化學(xué)吸附則可以發(fā)生于比沸點(diǎn)高得多的溫度下(甚至吸附質(zhì)氣體分壓在飽和蒸氣壓的1%以下即可進(jìn)行化學(xué)吸附)。
與反應(yīng)過程相似,吸附量與吸附熱是屬于熱力學(xué)范疇的概念。而吸附速率與吸附活化能則是屬于動力學(xué)范疇的概念。無論物理吸附與化學(xué)吸附都是放熱的,因此升高溫度其吸附量都要下降,但其吸附速率有很大的不同。物理吸附一般不需要活化能,其吸附平衡往往是瞬間到達(dá)的?;瘜W(xué)吸附往往(但非必然)需要活化能。對于需活化能的吸附亦稱為活化吸附。一般需要升高溫度,否則其吸附速率很慢。其平衡的建立也很緩慢,表15列出一些吸附過程的吸附熱與吸附活化能。當(dāng)物理吸附與化學(xué)吸附都存在時(shí),總吸附作用的效果受溫度的影響是復(fù)雜的。這種情況可以用氫在MgO-Cr2O3混合催化劑上吸附的情況來說明,如圖116所示,在低溫下,進(jìn)行物理吸附,其吸附量不大,很快達(dá)到平衡,抽真空可使其解吸,吸附是可逆的。升溫至0℃物理吸附很少而迅速,但繼之以極緩的化學(xué)吸附,再升溫,化學(xué)吸附明顯,至300℃左右,化學(xué)吸附速率與吸附量均可觀,繼續(xù)升溫,化學(xué)吸附量又下降。
表15 一些吸附過程的吸附熱與吸附活化能
體系 | 吸附熱 | 吸附活化能 | ||
kJ·mol-1 | kcal·mol-1 | kJ·mol-1 | kcal·mol-1 | |
H2/金剛石 | 243 | 58 | 59~92 | 14~22 |
H2/石墨 | 188 | 45 | 25 | 6 |
CO/Cr2O3 | 38~63 | 9~15 | 0.8~3 | 0.2~0.7 |
N2/Fe(1.3%Al2O3 1.6%K2O) |
146 | 35 | 67 | 16 |
CO/Pd | 72~76 | 17.1~18.1 | 10~38 | 2.3~9.0 |
H2/W | 84~314 | 20~75 | 42~105 | 10~25 |
為說明物理吸附與化學(xué)吸附對于活化能不同要求的原因,以氣體AB的物理吸附與分解二位化學(xué)吸附為例:
AB+(M) → A-(M)-B (24.2)
說明之。在這兩種吸附情況下,吸附質(zhì)(AB)與吸附劑(M)之間相互作用位能曲線分別可如圖117之Ⅰ與Ⅱ所示。物理吸附的吸附熱為qp,從未吸附態(tài)(a)至物理吸附態(tài)(b)不需要活化能?;瘜W(xué)吸附的吸附熱為qc,由未吸附態(tài)(a)至化學(xué)吸附態(tài)(c),需克服活化能壘E。應(yīng)注意,一般說來活化吸附都是化學(xué)吸附。但化學(xué)吸附并不一定都需要活化能,有些化學(xué)吸附實(shí)際上是在瞬間進(jìn)行的,并不需要活化能,如圖118所示為氫氣在還原鎳上的化學(xué)吸附是為其例如此吸附過程的相互作用位能變化曲線如圖119所示,可以明顯看出,其化學(xué)吸附過程位能的變化,這是不需要活化能的過程。
雖然兩種吸附的吸附量都依壓力增加而增加,但抽空時(shí)物理吸附是完全可逆地脫附,而化學(xué)吸附在極低壓下仍保持其單分子層吸附。
此外化學(xué)吸附具有比物理吸附強(qiáng)烈得多的選擇性?;瘜W(xué)吸附都是單分子層的,而物理吸附則可能是多分子層的(其第一層也可以是化學(xué)吸附),物理吸附??梢越频卣J(rèn)為表面是均勻的,而化學(xué)吸附強(qiáng)烈地依賴于表面的狀態(tài),表面的不均勻性對化學(xué)吸附有重要的影響。
在研究催化劑表面性質(zhì)時(shí),物理吸附是很重要的,但從化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)的角度考慮,化學(xué)吸附更為重要。