2.9　氣體在固體中的溶解

材料中的氣體濃度小于外部濃度時，吸附在固體表面的氣體分子，能夠滲透到材料的深部，這種現象叫做氣體在固體中的溶解。固體單位體積中溶解的氣體量（標準狀態下）叫做溶解度，各種材料內部均溶解有氣體，溶解的氣體多少與氣體性質和材料的特性有關。氣體以不同的狀態溶解于材料中。在金屬中，氣體以原子態溶解；而在玻璃、橡膠和陶瓷等非金屬中，氣體以原子或分子兩種狀態溶解。

溶解度與氣體和固體的性質有關，并隨著固體表面的壓力增大和溫度升高而增大。

單原子氣體溶解在金屬和玻璃中，以及氣體以分子態溶解在玻璃、橡膠和塑料中時，可利用亨利定律得到其溶解度

（2-63）

式中　nγ——溶解度，也稱氣體在固體材料中的體積濃度；

        γ——溶解度系數；

        p——氣體在固體表面上的壓力。

雙原子氣體在金屬中溶解時，需要分解成原子后才能溶解。溶解度以下式表示：

（2-64）

一般情況下，以下式表示溶解度：

（2-65）

式中，u=1，1/2，1/3等，與形成氣體分子的原子數有關。對于單原子氣體，u=1；對于雙原子氣體，u=1/2。

γ的量綱為cm3（STP）/（cm3·Torru），可見，γ的量綱隨u而變。當u=1時，溶解度系數γ的量綱為cm3（STP）/（cm3·Torr）；u=1/2時，量綱為cm3（STP）/（cm3·Torr1/2）。

氣體在固體中溶解，需要活化能，它是溫度的指數函數，包含在溶解度系數的公式中：

（2-66）

式中　γ0——溶解度常數，由氣體和固體的性質決定；

        Eγ——氣體在固體中溶解所需的活化能；

        R——以熱量單位表示的普適氣體常數；

        Ts——固體溫度。

由于分子態的氣體在金屬中溶解時，首先要分解成原子態，而后才能溶解。因而，需要的活化能比原子態氣體大。例如，石英玻璃中溶解數量相同的氫和氦，氫需要1000K，而氦只需要400K。

氣體在玻璃或金屬中的溶解度系數與溫度的關系見圖2-11。由圖可見，金屬有較高的溶解度系數。大多數金屬，當溫度為500～1000K時，溶解度系數值在102～10-1范圍的變化。