화학 흡착

Chemisorption

화학흡착은 표면과 흡착액 사이의 화학반응을 수반하는 흡착의 일종이다.흡착제 표면에 새로운 화학 결합이 생성된다.예를 들어 부식처럼 매우[clarification needed] 명백할 수 있는 거시적 현상과 촉매와 반응물이 서로 다른 단계에 있는 이질적인 촉매 작용과 관련된 미묘화 효과가 있습니다.흡착액기판 표면 간의 강한 상호작용은 새로운 유형[1]전자 결합을 생성합니다.

화학흡착과는 대조적으로 물리적 흡착은 흡착액과 표면의 화학종을 그대로 남긴다.일반적으로 "물리흡착"의 결합 에너지와 "화학흡착"의 결합 에너지를 분리하는 에너지 역치는 흡착된 종당 약 0.5 eV이다.

특이성 때문에 화학 흡착의 성질은 화학적 동일성과 표면 구조 특성에 따라 크게 다를 수 있습니다.화학흡착에서 흡착제와 흡착제 사이의 결합은 이온성 또는 공유결합이다.

사용하다

화학흡착의 중요한 예는 화학흡착 중간체의 형성을 통해 분자가 서로 반응하는 이종 촉매작용이다.화학흡착종이 결합(서로 결합)한 후, 생성물은 표면에서 탈착된다.

고체 촉매상의 알켄의 수소화는 표면 원자에 결합을 형성하는 수소와 알켄의 분자의 화학 흡착을 수반한다.

자가조립 단분자층

자체 조립 단분자층(SAM)은 반응성 시약을 금속 표면과 화학 흡착하여 형성됩니다.유명한 예는 티올(RS-H)이 금 표면에 흡착되는 것이다.이 프로세스에 의해 강력한 Au-SR 결합이 형성되어 H가2 해방됩니다.조밀하게 채워진 SR 그룹이 표면을 보호합니다.

기체 표면 화학 흡착

흡착 속도론

흡착의 예로서 화학 흡착은 흡착 과정을 따른다.첫 번째 단계는 흡착제 입자가 표면에 접촉하는 것입니다.입자는 기체 표면 전위 유정을 남길 수 있는 충분한 에너지를 보유하지 못해 표면에 갇힐 필요가 있다.탄성적으로 표면과 충돌하면 벌크 가스로 돌아갑니다.비탄성 충돌로 충분한 운동량을 잃으면 표면에 "붙어" 물리 흡착과 마찬가지로 약한 힘에 의해 표면에 결합된 전구체 상태를 형성한다.그 입자는 깊은 화학 흡착 전위 유정을 찾을 때까지 표면에서 확산된다.그리고 나서 그것은 표면과 반응하거나 충분한 에너지와 [2]시간이 지나면 간단히 탈착한다.

표면과의 반응은 관련된 화학종에 따라 달라집니다.반응에 대한 깁스 에너지 방정식 적용:

일반적인 열역학에서는 일정한 온도와 압력에서의 자발적 반응에 대해 자유 에너지의 변화는 음이 되어야 한다고 말합니다.자유입자가 표면에 구속되어 있어 표면 원자가 이동성이 높지 않으면 엔트로피가 낮아진다.즉, 엔탈피 항은 음수여야 하며 발열 반응을 의미합니다.[3]

물리 흡착은 레너드-존스 전위로 주어지고 화학 흡착은 모스 전위로 주어진다.물리적 흡착과 화학적 흡착 사이에는 교차점이 존재하며, 이는 전달점을 의미합니다.이는 활성화 에너지 요건 또는 부족을 나타내는 제로 에너지 라인 위 또는 아래(모스 전위차, a)에서 발생할 수 있다.깨끗한 금속 표면에 있는 대부분의 단순한 가스에는 활성화 에너지 요구 사항이 없습니다.

모델링.

화학흡착의 실험적 설정에서는 특정 시스템의 흡착량은 고정확률치에 [3]의해 정량화된다.

그러나 화학 흡착은 이론화하기가 매우 어렵다.효과적인 매체 이론에서 도출된 다차원 퍼텐셜 에너지 표면(PES)은 흡수에 대한 표면의 영향을 설명하기 위해 사용되지만, 연구 대상에 따라서는 표면의 특정 부분만 사용된다.PES의 간단한 예에서는 에너지의 합계를 위치 함수로 사용합니다.

서 E l { 전자 자유도에 대한 슈뢰딩거 방정식의 에너지 이고 i - { 이온 상호작용입니다.이 표현은 변환 에너지, 회전 에너지, 진동 들뜸 및 기타 [4]고려 사항이 없습니다.

표면 반응을 설명하는 모델은 여러 가지가 있습니다.Langmuir -두 반응 종이 흡착되는 힌셀우드 메커니즘과 한 종이 흡착되고 다른 종이 [3]반응하는 엘리-리달 메커니즘.

실제 시스템에는 많은 불규칙성이 있어 이론적인 계산이 더 [5]어려워집니다.

  • 고체 표면은 반드시 평형 상태에 있는 것은 아니다.
  • 불편하고 불규칙한 결함 등이 있을 수 있습니다.
  • 흡착 에너지와 홀수 흡착 부위의 분포.
  • 흡착물 사이에 결합이 형성되었습니다.

흡착제가 단순히 표면에 있는 물리적 흡착제와 달리 흡착제는 표면과 구조를 바꿀 수 있습니다.구조는 표면 구조를 변경하지 않고 처음 몇 개의 레이어가 평면 간 거리를 변경하는 완화 또는 표면 구조가 [5]변경되는 재구성을 거칠 수 있습니다.물리적 흡착에서 화학적 흡착으로의 직접적인 이행은 원자력 현미경의 선단에 CO 분자를 부착하고 단일 철 [6]원자와의 상호작용을 측정함으로써 관찰되었다.

예를 들어 산소는 Cu(110)와 같은 금속과 매우 강한 결합(~4eV)을 형성할 수 있습니다.이것은 표면 흡착 결합을 형성할 때 표면 결합이 분해되면서 발생합니다.행이 누락되어 대규모 재구성이 발생합니다.

해리 화학 흡착

가스 표면 화학 흡착의 특정 브랜드는 수소, 산소 질소와 같은 이원자 가스 분자의 해리입니다.프로세스를 설명하는 데 사용되는 한 가지 모델은 전구 매개입니다.흡수된 분자는 표면에 흡착되어 전구체 상태가 된다.그리고 나서 분자는 표면을 가로질러 화학 흡착 부위로 확산됩니다.표면과의 새로운 결합을 위해 분자 결합을 끊습니다.해리의 활성화 가능성을 극복하기 위한 에너지는 보통 번역 에너지와 진동 [2]에너지에서 나온다.

예를 들어 수소와 구리 시스템은 여러 번 연구되어 왔다.0.35 – 0.85 eV의 큰 활성화 에너지를 가집니다.수소 분자의 진동 들뜸은 구리 [2]지표의 낮은 표면에서 해리를 촉진합니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ Oura, K.; Lifshits, V.G.; Saranin, A.A.; Zotov, A.V.; Katayama, M. (2003). Surface Science, An Introduction. Springer. ISBN 3-540-00545-5.
  2. ^ a b c Rettner, C.T; Auerbach, D.J. (1996). "Chemical Dynamics at the Gas-Surface Interface". Journal of Physical Chemistry. 100 (31): 13021–33. doi:10.1021/jp9536007.
  3. ^ a b c Gasser, R.P.H. (1985). An introduction to chemisorption and catalysis by metals. Clarendon Press. ISBN 0198551630.
  4. ^ Norskov, J.K. (1990). "Chemisorption on metal surfaces". Reports on Progress in Physics. 53 (10): 1253–95. Bibcode:1990RPPh...53.1253N. doi:10.1088/0034-4885/53/10/001.
  5. ^ a b Clark, A. (1974). The Chemisorptive Bond: Basic Concepts. Academic Press. ISBN 0121754405.
  6. ^ Huber, F.; et al. (12 September 2019). "Chemical bond formation showing a transition from physisorption to chemisorption". Science. 365 (xx): 235–238. Bibcode:2019Sci...366..235H. doi:10.1126/science.aay3444. PMID 31515246. S2CID 202569091.

참고 문헌