Диссоциативная адсорбция представляет собой специфический тип поверхностного взаимодействия, при котором молекула, подходя к поверхности твердого тела, разрывает одну или несколько своих химических связей с образованием адсорбированных атомов или радикалов. Этот процесс характерен для газовых молекул на металлических и полупроводниковых поверхностях и играет ключевую роль в каталитических реакциях, включая гидрирование, окисление и синтез аммиака.
Процесс диссоциативной адсорбции можно разделить на несколько стадий:
Физическая адсорбция и ориентация молекулы Молекула сначала фокусируется на активных центрах поверхности посредством ван-дер-ваальсовых взаимодействий. Важна правильная ориентация молекулы относительно атомов поверхности, обеспечивающая эффективный контакт для последующего разрыва химической связи.
Активирование связи молекулы Электронная структура поверхности способствует ослаблению конкретных химических связей молекулы. Например, металл может предоставлять электроны в антикобалентные орбитали молекулы, что снижает энергию активации разрыва связи.
Разрыв молекулы и формирование адсорбатов Молекула расщепляется на фрагменты (атомы или радикалы), которые прочно удерживаются на поверхности. Эти адсорбаты часто располагаются на специфических кристаллографических участках — бороздах, вершинах или дефектах решетки, обладающих повышенной химической активностью.
Диффузия и стабилизация После первичной адсорбции фрагменты могут диффундировать по поверхности до нахождения термодинамически стабильных позиций, что снижает суммарную энергию системы и влияет на последующую химическую реакционную способность.
Энергетическая характеристика диссоциативной адсорбции определяется балансом нескольких факторов:
Для большинства гетерогенных катализаторов процесс диссоциативной адсорбции сопровождается экзотермическим выделением энергии, что делает поверхность более активной и способствует последующим реакциям.
Водород на металлах Молекула H₂ диссоциирует на два атома водорода при контакте с платиной или никелем, что является ключевым этапом гидрирования органических соединений.
Кислород на переходных металлах O₂ распадается на два атома кислорода на поверхности металлов, что инициирует процессы каталитического окисления, например, окисление CO до CO₂.
Аммиак на никеле и железе N–H связь в NH₃ может разрываться на активных центрах железа при высоких температурах, что обеспечивает последующее образование атомарного азота для синтеза аммиака по методу Габера.
Диссоциативная адсорбция является предварительным этапом большинства гетерогенных каталитических процессов. Атомарные адсорбаты обладают высокой химической активностью и могут участвовать в поверхностных реакциях, таких как соединение с другими адсорбированными фрагментами или с молекулами газовой фазы. Этот процесс определяет селективность и скорость каталитических реакций.
Диссоциативная адсорбция является фундаментальным процессом, определяющим реакционную способность поверхности и формирующим основу современного гетерогенного катализа.