МИКРОЭЛЕКТРОННЫЕ ДАТЧИКИ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ГАЗОВ

Адсорбция на поверхности твердых тел

При помещении полупроводника в газовую среду на его поверхности происходит адсорбция, т.е. газовые молекулы ударяются о поверхность твердого тела и прилипают к ней. В таком состоянии они проводят некоторое время, затем отрываются от поверхности и возвращаются обратно в газовую среду. Это явление называется десорбцией. Таким образом, газовая молекула проводит какое-то время в адсорбированном состоянии на поверхности твердого тела, а значит, твердое тело всегда удерживает на своей поверхности некоторое количество молекул газа. Тело, на котором происходит адсорбция, называется адсорбентом. Адсорбируемое вещество называется адсорбатом, а адсорбированное - адсорбтивом.

В зависимости от природы сил, удерживающих адсорбированную молекулу на поверхности адсорбента, различают физическую адсорбцию и химическую адсорбцию (так называемую хемосорбцию) [ 1 ].

В случае физической адсорбции - это силы той же природы, что и силы, действующие между молекулами в газе (так называемые силы Ван дер Ва- альса). При хемосорбции - это силы химической природы, действующие между атомами в молекуле (так называемые обменные силы).

Хемосорбция отличается от физической адсорбции рядом признаков. Прежде всего при физической адсорбции расстояние между адсорбированной частицей и поверхностью больше, чем при хемосорбции, когда адсорбированную частицу можно представлять себе вдавленной в поверхность. Во- вторых, при хемосорбции частица привязана к поверхности прочнее, чем при физической адсорбции. Наконец, при физической адсорбции скорость адсорбции тем меньше, чем выше температура, в то время как при хемосорбции скорость адсорбции чрезвычайно быстро возрастает с увеличением температуры. Если через dN/dt, где dN - число молекул, адсорбированных единицей поверхности, a dt - временной интервал, обозначить скорость адсорбции, то в случае хемосорбции

dN/dt=a-exp(- E/kT),

где а -коэффициент, медленно убывающий с температурой, а Е - энергия активации адсорбции, к - постоянная Больцмана, Т-абсолютная температура. Адсорбцию, подчиняющуюся этому закону, называют активированной адсорбцией.

Процесс адсорбции заканчивается тогда, когда количество молекул, адсорбированных на данной поверхности за данный промежуток времени, становится равным количеству молекул, десорбированных за тот же промежуток времени с той же поверхности. При этом наступает равновесие между поверхностью и газом (абсорбционное равновесие), характеризующееся определенной степенью заполнения поверхности газовыми молекулами. Эта степень заполнения поверхности, т. е. число молекул, удерживаемых поверхностью при установившемся адсорбционном равновесии, зависит прежде всего от температуры и от давления. При заданном давлении оно уменьшается при увеличении температуры, а при заданной температуре увеличивается с увеличением давления. Зависимость заполнения от давления (при заданной температуре) называется изотермой адсорбции [1]. Такие изотермы адсорбции схематически изображены на рис. 38. Здесь N - число молекул, адсорбированных на единице поверхности в условиях адсорбционного равновесия, а Р - давление в газовой фазе. Кривые 1 и 2 на рис. 38 относятся к двум различным температурам, кривая 2 соответствует более высокой температуре, чем кривая 1. Видно, что заполнение на поверхности сначала возрастает с увеличением давления, а затем, когда давление становится достаточно большим, достигает насыщения.

Максимальное число молекул, способных удерживаться на поверхности при заданной температуре, т. е. число молекул, соответствующих горизонтальному участку изотермы, характеризует адсорбционную способность поверхности. Одна и та же поверхность обладает различной адсорбционной способностью но отношению к молекулам различного газа. Адсорбционная способность поверхности - это ее емкость по отношению к газовым молекулам. Адсорбционная способность поверхности зависит от природы и от обработки поверхности и может быть изменена путем тех или иных внешних воздействий на адсорбент. При этом поверхность чувствительна к изменению состава адсорбента, например, введение примесей внутрь адсорбента влияет на адсорбционную способность его поверхности, некоторые примеси заметно увеличивают адсорбционную способность, другие се уменьшают. Адсорбционная способность иногда резко изменяется при освещении адсорбента. Это - так называемый фотоадсорбционный эффект.

Иногда хемосорбция бывает необратимой, это значит, что количество молекул, адсорбированных на поверхности под влиянием освещения, не уменьшается при выключении освещения. Для того, что бы их снять, необходимо повысить температуру тела.

При ударе о поверхность, т. е. в самом акте адсорбции, молекула часто раскалывается на части, так что на поверхности оказываются не сами молекулы газа, а их части. Молекулы или их части, адсорбированные на поверхности, могут соединяться друг с другом в новых комбинациях, образуя новые молекулы. Таким образом, из газа на поверхность попадают одни молекулы, а с поверхности в газ уходят другие, постепенно изменяется состав газа, происходит его химическое превращение.

Адсорбированные молекулы обладают иными свойствами, чем те же молекулы в свободном состоянии. Молекулы, нс взаимодействующие друг с другом в свободном состоянии, часто вступают во взаимодействие, когда они находятся в адсорбированном состоянии. Таким образом, поверхность твердого тела является катализатором химических реакций [1].

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >