吸附与表面热力学

表面以表面张力形式储存过剩自由能，分子通过吸附作用在界面处富集，这由等温线描述，等温线将表面覆盖率与压力或浓度关联起来。

Definition

吸附是分子在界面处的富集，表面热力学是通过表面张力、表面自由能以及控制弯曲和吸附表面的关系来描述界面的热力学。

Scope

本主题涵盖界面热力学和吸附现象：表面张力与表面自由能，用于弯曲界面的杨-拉普拉斯方程和开尔文方程，以及将表面过剩量与表面张力变化关联起来的吉布斯吸附等温线。它发展了吸附等温线，包括用于单层吸附的朗缪尔模型和扩展到多层的BET模型，物理吸附和化学吸附的区别，以及表面积的测量。吸附的催化作用与动力学相关联，胶体和自组装现象在姊妹主题中讨论。

Core questions

• 表面张力是如何作为创建界面的自由能成本而产生的？
• 吉布斯吸附等温线如何将表面过剩量与表面张力关联起来？
• 朗缪尔和BET等温线如何描述单层和多层吸附？
• 物理吸附与化学吸附有何区别？

Key concepts

• 表面张力与表面自由能
• 杨-拉普拉斯方程和开尔文方程
• 吉布斯吸附等温线
• 朗缪尔和BET等温线
• 物理吸附与化学吸附

Key theories

朗缪尔吸附等温线

将表面建模为等效、非相互作用位点的固定阵列，其覆盖率随压力或浓度升高而增加，并在形成完整单分子层时达到饱和，这是吸附的参考模型。

吉布斯吸附等温线

在界面处富集的溶质量与该溶质如何降低表面张力之间存在热力学关系，这解释了表面活性剂为何在界面处高度富集。

Clinical relevance

吸附和表面热力学控制着多相催化、多孔材料的气体储存和分离、洗涤剂和表面活性剂的作用、色谱分离、催化剂和药物的表面积测量，以及土壤和生物组织中的润湿和毛细现象。

History

吉布斯在19世纪70年代创立了表面热力学；朗缪尔在20世纪10年代对单分子层和吸附的研究（因其在1932年获得诺贝尔奖）以及1938年布鲁瑙尔-埃米特-特勒的多层理论确立了吸附和表面积的定量分析。

Key figures

• Irving Langmuir
• J. Willard Gibbs
• Stephen Brunauer

Seminal works

• langmuir1916
• adamson1997

Frequently asked questions

物理吸附和化学吸附有什么区别？

物理吸附涉及弱范德华引力，易于可逆，并可形成多层，而化学吸附则与表面形成实际的化学键，强度大得多，通常限于单分子层，并且在催化中起核心作用。

为什么表面张力使小液滴呈球形？

表面张力是界面面积的能量成本，因此系统通过最小化表面积来最小化其自由能；对于给定体积，球体具有最小的表面积，这就是自由液滴呈球形的原因。