气体在金属中的溶解与吸收

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：化学吸附时金属与被吸附的气体间的结合力比物理吸附大得多。气体的扩散被化学吸附在金属表面的气体，如能溶解在该金属中，它就会向此金属内部扩散。气体在金属中的溶解度一般较小，但也会使金属的体积发生变化，并伴随着吸热、放热现象发生。

1.金属溶解（吸收）气体的过程

气体在金属中的溶解（吸收）的过程分为三个阶段：吸附、扩散和溶解。

（1）气体的吸附如前所述，金属液和固体的表面张力是表面质点受到周围界面上的作用力不平衡的结果。因此，表面张力就在表面形成一个力场，将与之接触的气体分子吸引过来，使其聚积在金属的表面上，即所谓的“物理吸附”。它是在低温下进行的，随着温度的升高，吸附减轻；压力加大时，则吸附增强。物理吸附的过程能很快进行，而且此过程是可逆的。物理吸附主要取决于金属表面的清洁及粗糙程度等，而受气体本身的性质的影响很小；此种吸附的吸附热较小，达到平衡的时间也较短，吸附层的厚度不超过一个分子的直径。在高温熔铸中，此种吸附不起作用。

在高温熔铸的情况下，也会发生吸附气体的现象，这就是所谓的“化学吸附”（又称活性吸附）。这种吸附的特点是：吸附的气体有选择性，即金属系统只对某些气体才发生吸附，如高温下金属不吸附惰性气体，钢不吸附氯气等。只有与金属有化学亲和力的气体才可能被该金属吸附。

化学吸附并不属于化学反应，因为它发生在化学反应之前，不产生新相。

化学吸附的过程进行得很缓慢，且是不可逆的。它随着温度的升高吸附速度加快，到一定温度时达到最大值，继续升高温度，吸附速度反而下降。化学吸附时金属与被吸附的气体间的结合力比物理吸附大得多。化学吸附总伴随着气体分子分解成原子的现象，故其吸附热的数值很大，因此被分解气体的原子与金属表面的原子直接吸引。

（2）气体的扩散被化学吸附在金属表面的气体，如能溶解在该金属中，它就会向此金属内部扩散。这种扩散是以原子状态而不是以分子状态进行的。由于化学吸附时可将气体分解成原子，所以它是能扩散的前提条件，也是不能发生物理吸附的原因。

气体的扩散是金属的外界气氛和金属内部该气体分压力逐渐趋向平衡的过程。气体与金属间化学亲和力的强弱可用来判断该气体向该金属中扩散能力。如氮能向与之形成氮化物的铁和锰中扩散，但不能向与之不能形成氮化物的铜、镍和银中扩散，而惰性气体也不能向金属中扩散。

影响气体向金属内部扩散的因素还包括：金属本身的化学组成结构、表面状况、温度和压力等。随着温度的升高，气体向金属内部扩散的速度急剧增加，扩散速度与作用在金属上的该气体的分压力的平方根成正比。金属表面层的化学及物理状态，对扩散影响也很大，若金属（液态或固态）表面上形成了氧化物或其他化合物薄膜，就会阻碍扩散的进行。如铝合金液表面形成了致密的氧化铝薄膜后，就使氢通过这薄膜向内扩散的能力降低到无此薄膜的铝合金液的1／10。

扩散是在晶格中进行，而不是在晶间进行的，所以晶粒大小对扩散速度没有影响。原子状态的气体比分子状态的气体扩散速度快得多。

（3）气体的溶解气体向金属内扩散和机械压入就是溶解或吸收。气体向金属内扩散的过程常称为溶解，而被机械（如压铸机）高压高速压入金属内的过程则称为固溶。气体在金属中的溶解与气体和金属的化学亲和力有关。根据气体与金属的化学亲和力的强弱，可将气体溶解在金属中形成的产物分为悬浮体、固溶体或化合物。

气体在金属中的溶解度一般较小，但也会使金属的体积发生变化，并伴随着吸热、放热现象发生。如溶解过程为吸热过程，则温度升高，溶解的气体增加，此溶解过程是可逆的，当温度降低时，气体就从金属中逸出。

气体在金属中的溶解与吸收

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