吸附

吸附 (Adsorption)
國立臺灣大學化學系學士生張育唐/國立臺灣大學化學系陳藹然博士責任編輯

哈柏法製氨，是一個非常重要的催化反應，包含了氫氣、氮氣和固體催化劑三者之間的相互作用；其中反應的第一步始於氣體吸附 (Adsorption) 於固體催化劑的表面。什麼是吸附？吸附，簡單來說就是「一種物質聚集在另一種物質的表面」，也就是「吸附物 (adsorbant) 累積在被吸附物 (adsorbate) 的表面」，這些被吸附物於吸附物的表面形成膜 (Film)。

吸附的原理和表面張力相似，都是物質表面能量的結果。固體中每個分子和分子間都有作用力，在物體的中心，這些力量當然是針對著周圍的分子；然而若分子位於物體的表面，則還會有一些朝著物體外側的作用力，當固體外側出現其他物質時，這些表面分子自然就會吸引固體外側的物質分子 。

吸附在字面上容易與吸收 (absorption) 混淆，然而吸附僅讓被吸附物附著在表面，與吸收的概念是不相同的。吸附可以分為物理吸附 (physisorption) 與化學吸附 (chemisorptions)。物理吸附是被吸附物間以微弱的作用力，如凡德瓦力與靜電力，而聚集在吸附物表面的過程，譬如氮氣吸附於活性碳上，物理吸附是 可逆 (Reversible) 行為，其逆行為稱之「脫附 (Desorption)」，被吸／脫附的氣體性質不變。而化學吸附則往往是產生了吸附物語被吸附物金產生較強的作用力，通常已經牽涉到共價鍵、離子鍵的化學鍵的生成，被吸附物在吸附物的表面形重組成新的物質。

溫度、被吸附物的壓力或濃度也會影響吸附劑的吸附能力。由於吸附是一個化學平衡的過程，理想的平衡過程必然會遵守凡特荷夫方程式 (Van’t Hoff’s equation)：

因此在小範圍的溫度差異下，吸附與溫度的關係是可以簡單被預期的。

吸附是一個重要的表面現象，大自然的物理、化學、生物系統處處可見吸附現象， 同時一個吸附劑吸附的能力好壞在工業上影響深遠。一般常見的吸附劑通常為小顆粒狀，必須具有小而密的孔徑，以達到最大暴露的表面積，因為吸附劑的吸附能力會隨著其表面積增加而增加，因此一些多孔洞、具有巨大表面積的材質，如活性碳或是沸石，經常會被拿來作為吸附劑。此外吸附劑還需要高的熱穩定性與耐磨性、良好的排除蒸氣的能力。

一般常見的吸附劑大致上可以分為含氧 (oxygen-containing) 吸附劑、碳基 (carbon-based) 吸附劑、聚合物基 (polymer-based) 吸附劑。含氧吸附劑包含了如矽膠、沸石（Zeolite，又稱分子篩 (molecular sieve)）和金屬氧化物等，通常具有高極性與親水性；碳基吸附劑則如活性碳、石墨，具有低極性與疏水性。聚合物基吸附劑則通常透過改變聚合物的官能基，以吸附不同的物質。

資料來源
1. Zumdahl, S. S. Chemical Principles, 5^th edition; Houghton Mifflin Company: Boston, 2003; p. 741.
2. Wikipedia– Adsorption  http://en.wikipedia.org/wiki/Adsorption
3. Wikipedia– Chemisorption  http://en.wikipedia.org/wiki/Chemisorption
4. Wikipedia– Physisorption  http://en.wikipedia.org/wiki/Physisorption