I jord og vann er det en rekke overflater på uorganiske kolloider, leirpartikler, metalloksider, metallhydroksider og metallkarbonater. Mange overflater kan ha funksjonelle grupper som hydroksylgruppe (-OH), sulfidgruppe (-SH), syregruppe (-COOH), aldehydgruppe (-CHO) eller fosfatgruppe (OPO3H2) Kjemiske og elektriske krefter virker på overflaten bl.a. som angitt i Coulombs lov. Van der Waalske krefter er elektrostatisk tiltrekning mellom elektroner i et molekyl og kjernen i et nærliggende molekyl. London viste i 1930 at disse kreftene (Londonkrefter) ble forårsaket av tiltrekning mellom elektriske dipoler i noen molekyler og induserte elektriske dipoler i nærliggende molekyler. Bindingsenergien for disse kreftene er i størrelsesorden 10 kJ mol-1.
Adsorpsjonsisotermer
Langmuirs adsorpsjonsisoterm
Adsorpsjon angis som isotermer som viser sammenhengen mellom konsentrasjon av stoffet i løsningen som adsorberes til overflaten (adsorbat) og mengden som er adsorbert ved en konstant temperatur. Langmuir adsorbsjonsisoterm beskriver binding av en adsorbant A til overflaten S, og viser sammenhengen mellom overflatekonsentrasjon i mol m-2 og molar konsentrasjon av adsorbant.
S + A → SA
Den amerikanske kjemikeren og fysikeren Irving Langmuir (1881-1957) introduserte i 1916 en modell for overflatekjemi, kjemoadsorpsjon hvor for eksempel gassmolekyler kan feste seg til overflater. Den adsorberte gassfilmen ikke tykkere enn ett molekyllag er det som bindes sterkest. Overflaten inneholder adsorpsjonsseter, og man ser her likhetstrekk med ligander som binder seg til andre molekyler. Langmuir arbeidet også med utvikling av vakuumrør og lyspærer med spiralformet glødetråd, ved effektiv bruk av diffusjonspumper til å pumpe ut luft av pærene og ved å erstatte den med andre gasser e.g. argon. Han oppdaget at de varme wolframtrådene kunne sende ut elektroner (termionisk emisjon) , og oppvaring av materie kan virke som plasma. Han viste også at hydrogen (H2) i en lyspære kunne dissosiere til et enkelt lag med hydrogenatomer som la se på wolframtråden. Langmuirbølger, atomiske hydrogensveising, og Langmuirprobe brukt i plasmafysikk til å måle elektrontetthet er en av de mange oppfinnelsene som Langmuir gjorde. Irvin Langmuir fikk nobelprisen i kjemi i 1932 «for hans oppdagelser og undersøkelser innen overflatekjemi».
Freundlich isoterm
Freundlich adsorbsjonsisoterm er et annet eksempel på adsorbsjon av gasser til overflater. Det er en sammenheng mellom gasstrykk, pH, overflateladning og overflatepotensial. Navn etter den tyske kjemikern Herbert Freundlich (1880-1941).
For eksempel hvordan etylen kan binde seg til zink i galvanisert metall, oppdaget vi tilfeldig som en artefakt da vi studerte utskillelsen av gasser fra planter (andemat) i vakuum. For å holde plantene på plass brukte vi galvanisert netting, og fant store mengder etylen analysert i gasskromatografn, som vi først trodde kom fra plantene, men men viste seg å være etylen i atmosfæren bundet i nettingen. Imidlertid fant vi mye etan, fra nedbrytning av fettsyrer da cellevevet kollapset under vakuum.