8.1.1.1. Приклади фізичної адсорбції

Дослідом встановлено, що скло утримує ряд газів і це утримання здійснюється головним чином на поверхні завдяки фізичній адсорбції. Серед адсорбованих газів завжди є водяна пара, вуглекислий газ і в невеликих кількостях кисень, азот і окис вуглецю.

Склад адсорбованих газів і його повна кількість залежать від хімічного складу скла і знаходяться в прямому співвідношенні до кількості соди або поташу в складі скла. Наприклад, для силікатного скла адсорбований газ на ~90% складається з водяної пари, на ~10% з вуглекислого газу і тільки ~1% інших газів.

Боросилікатне скло має інше процентне відношення адсорбованих газів: водяної пари ~35%, вуглекислого газу ~40%, інших газів ~25%.

У вакуумній техніці інколи використовують деревне вугілля. Активоване деревне вугілля виготовляють зі шкаралупи кокосового горіха, яку нагрівають при 650 С на повітрі доки не припиниться виділення пари, а потім температуру збільшують до 900 С. Після цього проводять нагрівання протягом декількох годин, але вже у вакуумі і при 440 С. Активоване деревне вугілля поглинає як водяну пару, так і великий різновид газів, тому його іноді використовують і в протигазах для утримання (непропускання) отрутних газів. Особливо ефективним поглиначем активоване деревне вугілля стає при охолодженні до температури рідкого повітря: -180 С і може використовуватися у спеціальних вакуумних уловлювачах.

Окрім деревного вугілля використовують ще таку пористу речовину, як шабазит (природний подвійний силікат кальцію і алюмінію), що зв’язує в п’ять разів більшу кількість газу при такій же масі.

8.1.2. Хімічна адсорбція

При поглинанні газу поверхнею тіла іноді між ними виникає взаємодія у вигляді хімічної реакції, тобто діють сили хімічного зв’язку, які відрізняються від сил Ван-дер-Ваальса і часто перевищують їх.

Явище поглинання газів поверхнею тіл в результаті хімічного реагування між молекулами тіла і молекулами газу називають хімічною адсорбцією. Оскільки кількість тепла, що виділяється при цьому, пропорційна тепловій дії хімічної реакції, то таку адсорбцію ще називають хемосорбцією.

Між фізичною і хімічною адсорбцією існує велика відмінність. Хемосорбція при недостатньо високих температурах зовсім не виникає і, навпаки, швидко зростає при збільшенні температури, тоді як фізична адсорбція значно ефективно діє при низьких температурах. При нагріванні тіла адсорбований газ видаляється дуже погано або не видаляється зовсім.

Хемосорбція, як правило, не зворотній процес і для видалення поглинутих газів потребує нагріву до більш високих температур. Хімічний склад десорбованого газу відрізняється від адсорбованого. У результаті хімічної адсорбції можуть виникнути суттєві зміни властивостей поверхні тіла. Наприклад, кисень, що адсорбується на вольфрамі в результаті хемосорбції, знижує емісію електронів у сотні разів і для його видалення необхідно нагріти вольфрам до 1700 С.

8.1.3. Абсорбція газів металами

При поглинанні газів металом молекули газу можуть проникати всередину між його атомами, тобто виникає твердий розчин.

Розчинність газів металом називають абсорбцією. При абсорбції виникає поглинання газу повним об’ємом металу.

Кількість абсорбованого газу зростає пропорційно об’єму тіла, залежить від природи метала і збільшується при зростанні його пористості.

Подібно до фізичної адсорбції абсорбція газів металами з часом досягає насичення.

При відповідних умовах метал може поглинати гази за об’ємом, що в сотні разів перевищує його власний. Метали можна назвати губкою для газів. Наприклад, паладій за нормальних умов (20 С і 760 Торр) поглинає до 900 об’ємів водню, цирконій - 1500, а титан - до 1800. Останні два метали використовують в якості газопоглиначів і при необхідності розміщують в середині електровакуумних приладів. Але такі метали, як золото, цинк і кадмій не абсорбують водень. У той же час кисень поглинається більшою частиною металів з виникненням окислів. З міддю кисень утворює суцільні зерна окислу, які при прожаренні міді в атмосфері водню або у вакуумі відновлюються, що призводить до виникнення пористості й крихкості металу. Ось чому для електровакуумної промисловості дуже важливе використання безкисневої міді з високою провідністю, яку отримують плавкою у вакуумі. Відомо також, що серебро при плавленні поглинає велику кількість кисню, але при затвердінні виникає бурхливе виділення кисню, яке призводить до утворення раковин як всередині, так і на поверхі серебра.

Абсорбція газів металами потребує значно більше часу, ніж фізична адсорбція. Досягнення насичення при абсорбції виникає за час від декількох хвилин і годин при нагріванні або навіть до декількох днів у холодному стані, тоді як при адсорбції достатньо хвилини. Така різниця пояснюється тим, що адсорбція відбувається на поверхні тіла, тоді як абсорбція газів металами відбувається шляхом їх дифузії між атомами в середину металу.

Об’єм газу, що абсорбується при досягненні насичення грамом або кілограмом металу, називається розчинністю. Об’єм вимірюється за нормальних умов. Розчинність газу може зростати або знижуватися при зростанні температури.

При абсорбція газів металами можуть виникати два види поглинання: поглинання з утворенням твердого розчину і поглинання з утворенням нової хімічної сполуки.