第6章气体在固体中的溶解与扩散

气体在固体中的溶解和扩散气体在固体中的溶解和扩散�气体分子的溶解与渗透气体分子的溶解与渗透气体分子的溶解与渗透气体分子的溶解与渗透�溶溶溶溶解解解解由两种或两种以上物质所组成的均匀体系叫做由两种或两种以上物质所组成的均匀体系叫做由两种或两种以上物质所组成的均匀体系叫做由两种或两种以上物质所组成的均匀体系叫做““““溶体溶体溶体溶体””””。溶体中含量较多的成分称。溶体中含量较多的成分称。溶体中含量较多的成分称。溶体中含量较多的成分称为为为为““““溶剂溶剂溶剂溶剂””””，其余称为，其余称为，其余称为，其余称为““““溶溶溶溶质质质质””””。溶剂可以是液体，也可以是气体、固体；溶质可以是固体，也可以。溶剂可以是液体，也可以是气体、固体；溶质可以是固体，也可以。溶剂可以是液体，也可以是气体、固体；溶质可以是固体，也可以。溶剂可以是液体，也可以是气体、固体；溶质可以是固体，也可以是气体、液体。是气体、液体。是气体、液体。是气体、液体。�渗渗渗渗透和渗透率透和渗透率透和渗透率透和渗透率由于在真空容器器壁两侧的气体总是存在压力差，即使固体壁面材料上存由于在真空容器器壁两侧的气体总是存在压力差，即使固体壁面材料上存由于在真空容器器壁两侧的气体总是存在压力差，即使固体壁面材料上存由于在真空容器器壁两侧的气体总是存在压力差，即使固体壁面材料上存在的微孔小到足以阻止正常气体通过，但任何固体材料总是或多或少地渗透一些气体。在的微孔小到足以阻止正常气体通过，但任何固体材料总是或多或少地渗透一些气体。在的微孔小到足以阻止正常气体通过，但任何固体材料总是或多或少地渗透一些气体。在的微孔小到足以阻止正常气体通过，但任何固体材料总是或多或少地渗透一些气体。气体从密气体从密气体从密气体从密度大的一侧向密度小的一侧渗入、扩散、通过、和逸出固体阻挡层的过程成为渗透。这种情况下度大的一侧向密度小的一侧渗入、扩散、通过、和逸出固体阻挡层的过程成为渗透。这种情况下度大的一侧向密度小的一侧渗入、扩散、通过、和逸出固体阻挡层的过程成为渗透。这种情况下度大的一侧向密度小的一侧渗入、扩散、通过、和逸出固体阻挡层的过程成为渗透。这种情况下气体的稳态流率称为渗透率。气体的稳态流率称为渗透率。气体的稳态流率称为渗透率。气体的稳态流率称为渗透率。�气体溶质溶解于固体溶剂中的情况气体溶质溶解于固体溶剂中的情况气体溶质溶解于固体溶剂中的情况气体溶质溶解于固体溶剂中的情况从微观的角度来看，气体溶解于固体的过程可分从微观的角度来看，气体溶解于固体的过程可分从微观的角度来看，气体溶解于固体的过程可分从微观的角度来看，气体溶解于固体的过程可分为五个步骤：为五个步骤：为五个步骤：为五个步骤：①①①①吸附吸附吸附吸附在高压侧，气体分子吸附在固体表面上；在高压侧，气体分子吸附在固体表面上；在高压侧，气体分子吸附在固体表面上；在高压侧，气体分子吸附在固体表面上；②②②②离解离解离解离解吸附的气体分子有时在固体表面上离解为原子态；吸附的气体分子有时在固体表面上离解为原子态；吸附的气体分子有时在固体表面上离解为原子态；吸附的气体分子有时在固体表面上离解为原子态；③③③③溶解溶解溶解溶解气体在固体表层达到与环境气压相对应的溶解浓度；气体在固体表层达到与环境气压相对应的溶解浓度；气体在固体表层达到与环境气压相对应的溶解浓度；气体在固体表层达到与环境气压相对应的溶解浓度；④④④④扩散扩散扩散扩散由于表层浓度比较高，在浓度梯度的作用下气体分子由于表层浓度比较高，在浓度梯度的作用下气体分子由于表层浓度比较高，在浓度梯度的作用下气体分子由于表层浓度比较高，在浓度梯度的作用下气体分子((((或原子或原子或原子或原子))))向固体深部扩散，直到浓度均匀为止；向固体深部扩散，直到浓度均匀为止；向固体深部扩散，直到浓度均匀为止；向固体深部扩散，直到浓度均匀为止；⑤⑤⑤⑤脱附脱附脱附脱附溶质气体扩散到器壁的另一面重新结合成分子后释放溶质气体扩散到器壁的另一面重新结合成分子后释放溶质气体扩散到器壁的另一面重新结合成分子后释放溶质气体扩散到器壁的另一面重新结合成分子后释放（或气体扩散到器壁的另一面后解吸和释出；（或气体扩散到器壁的另一面后解吸和释出；（或气体扩散到器壁的另一面后解吸和释出；（或气体扩散到器壁的另一面后解吸和释出；气体在固体中的溶解和扩散�扩散速度与溶解度扩散速度与溶解度扩散速度与溶解度扩散速度与溶解度溶解和渗透速度一般由扩散速度所决定，而最终溶解和渗透速度一般由扩散速度所决定，而最终溶解和渗透速度一般由扩散速度所决定，而最终溶解和渗透速度一般由扩散速度所决定，而最终固体材料可溶解的气体量则取决于溶解度。固体材料可溶解的气体量则取决于溶解度。固体材料可溶解的气体量则取决于溶解度。固体材料可溶解的气体量则取决于溶解度。�扩散速度扩散速度扩散速度扩散速度————————研究溶解（或解溶）的动力学参量表示溶解（或解溶）没有达到平衡时的进行速度，研究扩散可以知道固体材料吸收或放出气体表示溶解（或解溶）没有达到平衡时的进行速度，研究扩散可以知道固体材料吸收或放出气体表示溶解（或解溶）没有达到平衡时的进行速度，研究扩散可以知道固体材料吸收或放出气体表示溶解（或解溶）没有达到平衡时的进行速度，研究扩散可以知道固体材料吸收或放出气体的速度。与渗透气体及壁面材料的种类和性质有密切关系；的速度。与渗透气体及壁面材料的种类和性质有密切关系；的速度。与渗透气体及壁面材料的种类和性质有密切关系；的速度。与渗透气体及壁面材料的种类和性质有密切关系；�溶解度————————研究溶解的静力学参量在一定温度、一定气压下，固体能溶解气体的饱和浓度，称为该温度及气压下的一定温度、一定气压下，固体能溶解气体的饱和浓度，称为该温度及气压下的一定温度、一定气压下，固体能溶解气体的饱和浓度，称为该温度及气压下的一定温度、一定气压下，固体能溶解气体的饱和浓度，称为该温度及气压下的““““溶解度溶解度溶解度溶解度””””。溶。溶。溶。溶解度表示材料内溶解达到动态平衡时所溶解的气体量，研究溶解度可以知道各种固体材料在一解度表示材料内溶解达到动态平衡时所溶解的气体量，研究溶解度可以知道各种固体材料在一解度表示材料内溶解达到动态平衡时所溶解的气体量，研究溶解度可以知道各种固体材料在一解度表示材料内溶解达到动态平衡时所溶解的气体量，研究溶解度可以知道各种固体材料在一定条件下能溶解多少气体；定条件下能溶解多少气体；定条件下能溶解多少气体；定条件下能溶解多少气体；�影响溶解度的因素影响溶解度的因素影响溶解度的因素影响溶解度的因素从宏观来看，溶解度与气体一固体组合的性质、从宏观来看，溶解度与气体一固体组合的性质、从宏观来看，溶解度与气体一固体组合的性质、从宏观来看，溶解度与气体一固体组合的性质、气体压强、温度有关。气体压强、温度有关。气体压强、温度有关。气体压强、温度有关。�气体在固体中的溶解度气体在固体中的溶解度气体在固体中的溶解度气体在固体中的溶解度————————近似有理想溶体的性质近似有理想溶体的性质近似有理想溶体的性质近似有理想溶体的性质①①①①如果溶解时各物质成分能以任何比例互溶，体积有可加性，没有热效应发生，则形如果溶解时各物质成分能以任何比例互溶，体积有可加性，没有热效应发生，则形如果溶解时各物质成分能以任何比例互溶，体积有可加性，没有热效应发生，则形如果溶解时各物质成分能以任何比例互溶，体积有可加性，没有热效应发生，则形成的溶体称为成的溶体称为成的溶体称为成的溶体称为““““理想溶体理想溶体理想溶体理想溶体””””②②②②当溶质浓度很小时，许多实际溶体表现得很像理想溶体。气体在固体中的溶解度一般当溶质浓度很小时，许多实际溶体表现得很像理想溶体。气体在固体中的溶解度一般当溶质浓度很小时，许多实际溶体表现得很像理想溶体。气体在固体中的溶解度一般当溶质浓度很小时，许多实际溶体表现得很像理想溶体。气体在固体中的溶解度一般是很小的，因此近似有理想溶体的性质。是很小的，因此近似有理想溶体的性质。是很小的，因此近似有理想溶体的性质。是很小的，因此近似有理想溶体的性质。气体在固体中的溶解和扩散�影响溶解度的因素影响溶解度的因素影响溶解度的因素影响溶解度的因素�环境气压对溶解度的影响（亨利定律）环境气压对溶解度的影响（亨利定律）环境气压对溶解度的影响（亨利定律）环境气压对溶解度的影响（亨利定律）根据理想溶体的规律，在一定温度下，气根据理想溶体的规律，在一定温度下，气根据理想溶体的规律，在一定温度下，气根据理想溶体的规律，在一定温度下，气体在固体中的溶解度与环境气体压强成正比。如果环境气氛是多种成分的气体混合物，体在固体中的溶解度与环境气体压强成正比。如果环境气氛是多种成分的气体混合物，体在固体中的溶解度与环境气体压强成正比。如果环境气氛是多种成分的气体混合物，体在固体中的溶解度与环境气体压强成正比。如果环境气氛是多种成分的气体混合物，则每一气体成分的溶解度与相应的气体分压成正比。这个规律称为亨利定律则每一气体成分的溶解度与相应的气体分压成正比。这个规律称为亨利定律则每一气体成分的溶解度与相应的气体分压成正比。这个规律称为亨利定律则每一气体成分的溶解度与相应的气体分压成正比。这个规律称为亨利定律SPC=CCCC————气体在固体中的溶解度气体在固体中的溶解度气体在固体中的溶解度气体在固体中的溶解度(cm(cm(cm(cm3333((((标准状况标准状况标准状况标准状况))))／／／／cmcmcmcm3333))))SSSS————一个大气压下的气体溶解度一个大气压下的气体溶解度一个大气压下的气体溶解度一个大气压下的气体溶解度(cm(cm(cm(cm3333((((标准状况标准状况标准状况标准状况))))／／／／cmcmcmcm3333atm)atm)atm)atm)PPPP————环境气体压强环境气体压强环境气体压强环境气体压强((((atmatmatmatm))))双原子气体分子在金属中溶解时往往离解成原子态，双原子气体分子在金属中溶解时往往离解成原子态，双原子气体分子在金属中溶解时往往离解成原子态，双原子气体分子在金属中溶解时往往离解成原子态，XXXX2222（气相）（气相）（气相）（气相）↔↔↔↔2X2X2X2X（在金属材料中的溶解相）（在金属材料中的溶解相）（在金属材料中的溶解相）（在金属材料中的溶解相）PSC=jSPC=jjjj为离解度（分子不离解时为离解度（分子不离解时为离解度（分子不离解时为离解度（分子不离解时j=1,j=1,j=1,j=1,离解为原子态时离解为原子态时离解为原子态时离解为原子态时j=1/2j=1/2j=1/2j=1/2））））1:H1:H1:H1:H2222-Ni(1123-Ni(1123-Ni(1123-Ni(1123℃)2:H2:H2:H2:H2222-Fe(900-Fe(900-Fe(900-Fe(900℃))))3:H3:H3:H3:H2222-Cu(930-Cu(930-Cu(930-Cu(930℃))))�温度对溶解度的影响温度对溶解度的影响温度对溶解度的影响温度对溶解度的影响气体分子在固体中溶解时,,,,分子的相互作用使状态发生变化，因此有热效应发生，所以溶解度和温度有关。在一定压强下，溶解度和温度的关系为)exp(0RTqSSs−=SSSS0000————溶解度常数，相当于温度溶解度常数，相当于温度溶解度常数，相当于温度溶解度常数，相当于温度TTTT→∞→∞→∞→∞时的溶解度；时的溶解度；时的溶解度；时的溶解度；qqqqssss————溶解热，溶解热，溶解热，溶解热，J/mol;J/mol;J/mol;J/mol;)2exp(0RTqSSs−=)exp(0RTjqSSs−=溶解时有吸热效应的，溶解时有吸热效应的，溶解时有吸热效应的，溶解时有吸热效应的，qqqqssss为正值，溶解度随温度升高而增加；为正值，溶解度随温度升高而增加；为正值，溶解度随温度升高而增加；为正值，溶解度随温度升高而增加；溶解时有放热效应的，溶