Fisisorción

Esquema de forces en l'adsorció física. Blau: enllaç covalente, Vert: força de Van der Waals

La fisisorción, també cridada adsorció física, és un procés en el que l'estructura electrònica de l'àtom o molècula a penes es pertorba durant l'adsorció.

Introducció

La força d'interacció fonamental de la fisisorción és Van der Waals (VDW). Encara que l'energia d'interacció és molt dèbil (10 – 100 meV), la fisisorción juga un paper important en la naturalea. Per eixemple, l'atracció de van der Waals entre les superfícies i els pèls dels geckos proporciona la notable capacitat de trepar per parets verticals. Les forces de Van der Waals s'originen a partir de les interaccions entre dipols elèctrics induïts, permanents o transitoris.

En comparació a la quimisorción, en la que l'estructura electrònica dels àtoms o molècules enlazantes canvia i es formen enllaços covalente o iònics, la fisisorción no produïx canvis en l'estructura dels enllaços químics. En la pràctica, la categorisació d'una adsorció particular com fisisorción o quimisorción depén principalment de l'energia d'unió del adsorbato al substrat, sent la fisisorción molt més dèbil per àtom que qualsevol tipo de conexió que implique un enllaç químic.

Modelació per càrrega d'image

Figura 1. Ilustració esquemàtica d'un àtom d'hidrogen adsorbido prop d'un conductor perfecte que interactua en els seus carregues d'image.

Per a donar una ilustració simple de fisisorción, primer podem considerar un àtom d'hidrogen adsorbido front a un conductor perfecte, com es mostra en la Fig.1. Un núcleu en càrrega positiva es troba en R = (0, 0, Z), i la coordenada de posició del seu electró, r = (x, i, z) es dona sobre el núcleu. El procés d'adsorció pot vore's com l'interacció entre este àtom d'hidrogen i les seues càrregues d'image tant del núcleu com de l'electró en el conductor. Com a resultat, l'energia electrostàtica total és la suma dels térmens d'atracció i repulsió:

$V=\frac{e^2}{4\pi {\epsilon }_0}(\frac{-1}{|2𝐑|}+\frac{-1}{|2𝐑+𝐫-{𝐫}^{\prime }|}+\frac{1}{|2𝐑-{𝐫}^{\prime }|}+\frac{1}{|2𝐑+𝐫|}).$

El primer terme és l'interacció atractiva del núcleu i la seua càrrega d'image, i el segon terme es deu a l'interacció de l'electró i la seua càrrega d'image. L'interacció repulsiva es mostra en el tercer i quart térmens que sorgixen de l'interacció entre el núcleu i l'electró de l'image, i l'interacció entre l'electró i el núcleu de l'image, respectivament.

Per expansió de Taylor en potències de |r|/|R|, esta energia d'interacció es pot expressar ademés com:

$V=\frac{-e^2}{16\pi {\epsilon }_0{Z}^3}(\frac{x^2+y^2}{2}+z^2)+\frac{3e^2}{32\pi {\epsilon }_0{Z}^4}(\frac{x^2+y^2}{2}z+z^3)+O\left(\frac{1}{Z^5}\right).$

A partir del primer terme que no desapareix, es pot trobar que el potencial de fisisorción depén de la distància Z entre l'àtom adsorbido i la superfície com Z ^{− 3}, en contrast en la dependència r ^{− 6} del potencial molecular de van der Waals, a on r és la distància entre dos dipols.