2.9　气体在固体中的溶解

材料中的气体浓度小于外部浓度时，吸附在固体表面的气体分子，能够渗透到材料的深部，这种现象叫做气体在固体中的溶解。固体单位体积中溶解的气体量（标准状态下）叫做溶解度，各种材料内部均溶解有气体，溶解的气体多少与气体性质和材料的特性有关。气体以不同的状态溶解于材料中。在金属中，气体以原子态溶解；而在玻璃、橡胶和陶瓷等非金属中，气体以原子或分子两种状态溶解。

溶解度与气体和固体的性质有关，并随着固体表面的压力增大和温度升高而增大。

单原子气体溶解在金属和玻璃中，以及气体以分子态溶解在玻璃、橡胶和塑料中时，可利用亨利定律得到其溶解度

（2-63）

式中　nγ——溶解度，也称气体在固体材料中的体积浓度；

        γ——溶解度系数；

        p——气体在固体表面上的压力。

双原子气体在金属中溶解时，需要分解成原子后才能溶解。溶解度以下式表示：

（2-64）

一般情况下，以下式表示溶解度：

（2-65）

式中，u=1，1/2，1/3等，与形成气体分子的原子数有关。对于单原子气体，u=1；对于双原子气体，u=1/2。

γ的量纲为cm3（STP）/（cm3·Torru），可见，γ的量纲随u而变。当u=1时，溶解度系数γ的量纲为cm3（STP）/（cm3·Torr）；u=1/2时，量纲为cm3（STP）/（cm3·Torr1/2）。

气体在固体中溶解，需要活化能，它是温度的指数函数，包含在溶解度系数的公式中：

（2-66）

式中　γ0——溶解度常数，由气体和固体的性质决定；

        Eγ——气体在固体中溶解所需的活化能；

        R——以热量单位表示的普适气体常数；

        Ts——固体温度。

由于分子态的气体在金属中溶解时，首先要分解成原子态，而后才能溶解。因而，需要的活化能比原子态气体大。例如，石英玻璃中溶解数量相同的氢和氦，氢需要1000K，而氦只需要400K。

气体在玻璃或金属中的溶解度系数与温度的关系见图2-11。由图可见，金属有较高的溶解度系数。大多数金属，当温度为500～1000K时，溶解度系数值在102～10-1范围的变化。