为什么表面积大的物质吸附性强，这种吸附的原理是什么？ Luyao Zou，物理化学专业/文理叠加态 经 @六只正在飞的羊 提醒，这个回答只讨论气相吸附过程。没搞过液相吸附，不懂相关理论，就不挖坑了 先上结论：这个吸附原理当然说得通啊！这个就是典型的物理吸附 和目录 Langmuir 模型（单层吸附） 竞争吸附 BET 吸附（多层吸附），比表面和孔结构 活性炭除异味到底有用吗？ 1. 【物理吸附的经典模型（其实就是最简单的模型）就是朗格缪尔（Langmuir）模型】 （朗格缪尔，表面化学鼻祖，1932 年诺贝尔化学奖。现在美国化学会 ACS 旗下刊登表面化学文章的杂志就叫《Langmuir》） 这个模型假定，分子在表面只形成一层单分子层，而气体分子就像在表面抢车位一样。因此一个萝卜一个坑，有多大的表面积就能吸附多少个分子，像这样（随手画的）： 这个吸附过程当然是可逆的，气体分子既可以“粘”到表面上，也会从表面离开，所以是一个吸附—脱附的平衡态。可以想象，热锅上的蚂蚁通常都会跑得比较快。所以其他条件一样的话，表面温度越高吸附率越低。插句题外话，通常在高真空实验室里我们就用烤热真空室的办法把那些分子赶下来，把不锈钢真空室开着泵烤到个几十一百度，再降温回来气压就低多啦（除非阀门漏气了，那可能几天都不能做实验了，得检漏）。此外，在低温杜瓦瓶里面，灌上液氮或液氦以后气压会降一到两个数量级，也是因为表面冷了，分子都冻在上面跑不到气相里面来，这个叫做 cryo pumping，制冷剂就像气泵一样。 要定量研究这个过程，免不了要写公式的啦，大家多担待哟 【前方有公式出没】 表面上有多少个“坑”呢？定义一个表面覆盖率 ，就是表面被占了的位点与总位点的比值。 这个表面覆盖率 是一个比值对不对？ 吸附总量是覆盖率乘上表面积，所以表面积越大吸附总量越多！ 吸附的速率，当然是空地越多越快，并且气相中的分子（即气压 p）越多也越快。于是吸附速率 而脱附速率呢，自然是表面挤着的分子越多，脱附得越快 平衡态下面吸附脱附速率相等 吸附—脱附平衡常数 就是吸附、脱附速率常数的比值，当然，和温度有关。 这其实就是一般性的简单化学动力学方程放到一个特定场景中而已，没什么别的花样 随着气压的升高，表面的吸附率也上升，但上升得越来越慢（因为脱附速率也增加了），显而易见的： 2.【竞争吸附】 当有多种气体分子同时存在（比如示意图中红色和蓝色的小球）时，他们就会相互竞争。动力学方程的框架还是一样的，只不过每种分子的脱附速率都只和自己在表面的覆盖率 成正比。但是吸附速率和却要和空位成正比（），所以方程形式有点变。我不想再码大篇公式了，定性来说，容易想象，如果： A 分子和表面的相互作用比 B 要大一些（A 比 B 粘人，占到了位置就不让开） A 分子在气相中的分压比 B 大的多（A 人多势众） 那显然 A 都会抢过 B，在表面占有更高的位点／覆盖率。就是抢车位嘛。 具体的，对于两分子体系 A 和 B （上标区分 A 和 B，不代表乘方） 而 也是符合直觉的——结合力越强（即平衡常数 Keq 越大），覆盖率越高；分压越高，覆盖率越高。 3.【BET 吸附，比表面与孔结构】 OK，实际情况是，没有任何东西的表面是一片平地，总是由坑坑洼洼的。而像活性炭这样的东西还有复杂的孔道。另外，分子不定就非要单层吸附啊，可以一层层堆起来啊。虽然越往上堆，跟表面的作用力越弱，到一定程度就吸不上了。 这个多层吸附的模型是由 Stephen Brunauer, Paul H. Emmett 和 Edward Teller 首先提出来的，所以叫 BET 理论 数学比较复杂，就不写了。 BET 理论在实际应用中非常重要，因为它提供了一种测量物质吸附表面积的方法。 如果你注意到上文 Langmuir 模型中表面覆盖率 和气压 的关系，是一条凸函数曲线。而因为表面光滑又是单分子层，如果把这块“理想表面”放在一个真空室里面，先慢慢升气压，再慢慢降气压，测量气体被吸附了多少，那应该就画出上面给的那个曲线。 实际情况下呢？ 大部分物质，会留下一个圈。这个叫滞后环。产生这个环的原因是，当物质内部存在孔的时候，气体钻进去容易，想逃出来就难了。于是降气压的时候气体的脱附有个滞后过程。从这个滞后环的形状，我们可以推测出孔的形状和孔径分布。 从这个滞后环的大小，我们可以推测出物质内部可以有效吸附气体的表面积。把这个表面积除以质量，就是比表面。 活性炭的比表面有多高呢？通常大于 1000 m^2/g. So，一小把活性炭，把里面全部扒开，那就是一个足球场！ （活性炭电镜照片，各种孔） 4.【活性炭除异味到底有用吗？】 本段内容全为某人做梦时掐指一算，具体情况还请具体分析，卖家买家都不要来找我 上面说到活性炭比表面大。那么，如果 1000 m^2 的单分子表面吸附层，能吸附多少气体分子呢？ 这当然跟分子的大小啦、形状啦，有没有多层吸附啦都有关系。如果做一个数量级的费米估算（wikipedia.org 的页面），应该不会差太多 分子大小在 0.1nm=1 量级。就假设单分子层，紧密排列，那么 1000 m^2 的单分子层可以对应 棒，看来一克活性炭能吸附差不多一摩尔的气体。但是一摩尔气体常态下有多少呢？（中学都学过的吧？标况 22.4 L） 呀……好像……不太够啊。 别忘了，还有竞争吸附的问题。空气中大部分都是氮气氧气，还有水汽二氧化碳什么的，异味分子通常都是微量存在，两者的分压可是差了好几个数量级啊。虽然通常异味分子是有机分子，体积比较大，和活性炭的表面作用可能比较强，但是耐不住数量不够，抢得到足够的车位吗？而且，吸附和脱附是动态平衡的。活性炭当然滞后环会很大，所以如果空气中异味分子的量下降了，活性炭里本来吸附的那些倒不至于立刻又跑出来，但是也撑不了很久，得勤换喏。 此外，还有动力学的扩散问题。我们的屋子、汽车、冰箱不是实验室里的真空密封室，关了一扇门，还有多扇窗。如果污染源在室外的话，除非把屋子完全密封起来像开汽车内循环那样。 所以啊，装在口罩和滤网里，作为一个封闭的气路系统的哨岗守卫的活性炭，肯定是有效果的，勤换就好。但是指望摆一瓶活性炭开着口放家里，悬 谨以此文纪念本科呆过的表面化学实验室 关于表面吸附理论，推荐我刷过的这本小书，很薄但都是干货。很老了，大学图书馆里应该能找到 可惜那时候的笔记全部丢了，找不到了 我的很多笔记都找不到了，y 查看知乎原文
