Physisorption, auch genannt physische Adsorption, ist ein Prozess, in dem die elektronische Struktur des Atoms oder Moleküls auf die Adsorption kaum gestört wird.

Einführung

Die grundsätzliche aufeinander wirkende Kraft von physisorption wird durch die Kraft von van der Waals verursacht. Wenn auch die Wechselwirkungsenergie (~10-100 meV) sehr schwach ist, spielt physisorption eine wichtige Rolle in der Natur. Zum Beispiel stellt die Anziehungskraft von van der Waals zwischen Oberflächen und Fußhaaren von geckos die bemerkenswerte Fähigkeit zur Verfügung, vertikale Wände hinaufzuklettern. Kräfte von Van der Waals entstehen aus den Wechselwirkungen zwischen veranlassten, dauerhaften oder vergänglichen elektrischen Dipolen.

Im Vergleich mit der Chemisorption, in der die elektronische Struktur, Atome oder Moleküle zu verpfänden, geändert wird und covalent oder ionische Obligationsform, kann physisorption nur im Allgemeinen in der Umgebung der niedrigen Temperatur (Thermalenergie bei der Raumtemperatur ~26 meV) und die Abwesenheit der relativ starken Chemisorptionen beobachtet werden. In der Praxis hängt der catagorisation einer besonderen Adsorption als physisorption oder Chemisorption hauptsächlich von der Bindungsenergie des Adsorbats zum Substrat ab.

Das Modellieren durch die Bildanklage

Um eine einfache Illustration von physisorption zu geben, können wir zuerst ein adsorbiertes Wasserstoffatom vor einem vollkommenen Leiter, wie gezeigt, in der Abb. 1 denken. Ein Kern mit der positiven Anklage wird an R = (0, 0, Z) gelegen, und die Positionskoordinate seines Elektrons, r = (x, y, z) wird in Bezug auf den Kern gegeben. Der Adsorptionsprozess kann als die Wechselwirkung zwischen diesem Wasserstoffatom und seinen Bildanklagen sowohl des Kerns als auch Elektrons im Leiter angesehen werden. Infolgedessen ist die elektrostatische Gesamtenergie die Summe der Anziehungskraft und Repulsionsbegriffe:

:

Der erste Begriff ist die attraktive Wechselwirkung des Kerns und seiner Bildanklage, und der zweite Begriff ist wegen der Wechselwirkung des Elektrons und seiner Bildanklage. Die abstoßende Wechselwirkung wird im dritten gezeigt und nennt hervor das Entstehen aus der Wechselwirkung des Elektrons des Kern-Images und Elektronimage-Kerns beziehungsweise.

Vergrößerung von Taylor in Mächten von |r / |R, diese Wechselwirkungsenergie kann weiter als ausgedrückt werden:

:

Man kann vom ersten nichtverschwindenden Begriff finden, dass das physisorption Potenzial von der Entfernung Z zwischen adsorbiertem Atom und Oberfläche als Z im Vergleich mit der r Abhängigkeit des molekularen Potenzials von van der Waals abhängt, wo r die Entfernung zwischen zwei Dipolen ist.

Das Modellieren durch den mit dem Quant mechanischen Oszillator

Die Bindungsenergie von van der Waals kann durch ein anderes einfaches physisches Bild analysiert werden: das Modellieren der Bewegung eines Elektrons um seinen Kern durch einen dreidimensionalen einfachen harmonischen Oszillator mit einer potenziellen Energie V:

:

wo M und ω sind die Massen- und Schwingfrequenz des Elektrons beziehungsweise.

Da sich dieses Atom der Oberfläche eines Metalls nähert und Adsorption bildet, wird diese potenzielle Energie V wegen der Bildanklagen durch zusätzliche potenzielle Begriffe modifiziert, die in den Versetzungen quadratisch sind:

: (von der Vergrößerung von Taylor oben.)

Das Annehmen

:

dem Potenzial wird als gut näher gekommen

:

wo

:\begin {richten }\aus

\omega_1 &= \omega - {e^2\over 32\pi\varepsilon_0 m_e\omega Z^3}, \\

\omega_2 &= \omega - {e^2\over 16\pi\varepsilon_0 m_e\omega Z^3}.

\end {richten }\aus</Mathematik>

Wenn man annimmt, dass das Elektron im Boden-Staat ist, dann ist die Bindungsenergie von van der Waals im Wesentlichen die Änderung der Nullpunktsenergie:

:

Dieser Ausdruck zeigt auch die Natur der Z Abhängigkeit der Wechselwirkung von van der Waals.

Außerdem durch das Einführen der Atompolarisierbarkeit,

:

das Potenzial von van der Waals kann weiter vereinfacht werden:

:wo:

ist der unveränderliche van der Waals, der mit der Atompolarisierbarkeit verbunden ist.

Außerdem durch das Ausdrücken der Korrektur der vierten Ordnung in der Vergrößerung von Taylor oben als (aCZ) / (Z), wo einer Konstante zu sein, wir Z als die Position des dynamischen Bildflugzeugs definieren und erhalten können

:

Der Ursprung von Z kommt aus dem Überlaufen des Elektrons wavefunction aus der Oberfläche. Infolgedessen ist die Position des Bildflugzeugs, das die Verweisung für die Raumkoordinate vertritt, von der Substrat-Oberfläche selbst verschieden und durch Z modifiziert.

Tabelle 1 zeigt die jellium Musterberechnung für van der Waals unveränderlicher C und dynamisches Bildflugzeug Z von seltenen Gasatomen auf verschiedenen Metalloberflächen. Die Erhöhung von C von wird Ihm bis Xe für alle Metallsubstrate durch die größere Atompolarisierbarkeit der schwereren seltenen Gasatome verursacht. Für die Position des dynamischen Bildflugzeugs nimmt es mit der Erhöhung der Dielektrikum-Funktion ab und ist normalerweise auf der Ordnung von 0.2 Å.

Potenzial von Physisorption

Wenn auch die Wechselwirkung von van der Waals attraktiv ist, weil das adsorbierte Atom der Oberfläche den wavefunction von Elektronanfängen näher rückt, um mit diesem der Oberflächenatome zu überlappen. Weiter wird die Energie des Systems wegen des orthogonality von wavefunctions des sich nähernden Atoms und der Oberflächenatome zunehmen.

Dieser Pauli Ausschluss und Repulsion sind für Atome mit geschlossenen Wertigkeitsschalen besonders stark, die die Oberflächenwechselwirkung beherrschen. Infolgedessen muss die minimale Energie von physisorption durch das Gleichgewicht zwischen der Langstreckenanziehungskraft von van der Waals und Repulsion von Pauli für kurze Strecken gefunden werden. Zum Beispiel, durch das Trennen der Gesamtwechselwirkung von physisorption in zwei Beiträge - ein Begriff für kurze Strecken, der durch die Hartree-Fock Theorie und eine Langstreckenanziehungskraft von van der Waals gezeichnet ist, kann die Gleichgewicht-Position von physisorption für seltenes auf dem jellium Substrat adsorbiertes Benzin bestimmt werden. Abb. 2 zeigt die physisorption potenzielle Energie davon Ihm hat auf Ag, Cu und Substraten von Au adsorbiert, die durch das jellium Modell mit verschiedenen Dichten des Schmiere-Hintergrunds positive Anklagen beschrieben werden. Es kann gefunden werden, dass die schwache Wechselwirkung von van der Waals zu seichten attraktiven Energiebohrlöchern führt (