Хемосо́рбция, поглощение жидкостью или твердым телом веществ из окружающей среды, сопровождающееся образованием химических соединений. В более узком смысле хемосорбцию рассматривают как химическое поглощение вещества поверхностью твердого тела, то есть как химическую адсорбцию. При хемосорбции между атомами (молекулами) адсорбента и адсорбата образуется химическая связь, т. е. хемосорбцию можно рассматривать как химическую реакцию, область протекания которой ограничена поверхностным слоем.
В некоторых случаях на одной поверхности могут протекать одновременно и физическая и химическая адсорбция. Как и в случае химических реакций, адсорбент хемосорбирует не любые молекулы, а только те, которые вступают в реакцию с атомами поверхности. Связь между атомами, как и в химическом соединении, определяется ковалентными силами с некоторой долей ионной составляющей. Определяющую роль при хемосорбции должен играть обмен электронами между адсорбентом и адсорбатом.
Подобно химическим реакциям, хемосорбция требует, как правило, значительной энергии активации. Поэтому при повышении температуры хемосорбция ускоряется (активированная адсорбция). В случае хемосорбции на металлах различают катионную и анионную хемосорбцию. Если наивысший по энергии заполненный электронный уровень адсорбента расположен выше уровня Ферми металла, электрон от адсорбируемого атома переходит к металлу, а адсорбируемые частицы становятся положительными ионами. И наоборот, если в находящемся на поверхности адсорбенте имеется незаполненный энергетический уровень, расположенный ниже уровня Ферми металла, то переход электрона возможен в обратном направлении и адсорбированная частица заряжается отрицательно. По обе стороны границы возникает двойной электрический слой, в результате в первом случае работа выхода электрона из металла понижается, а во втором повышается.
В случае хемосорбции на полупроводниках отличие от приведенной выше для металлов модели заключается в том, что полупроводники имеют другое расположение уровня Ферми и отличаются по типу проводимости. В процессе хемосорбции на поверхности полупроводника возникает недостаток или избыток электронов по сравнению с равновесным состоянием, и изменяется электропроводность поверхностного слоя. Если удельное сопротивление поверхностного слоя возрастает в результате анионной хемосорбции на полупроводнике n-типа, образуется запорный слой. В случае катионной хемосорбции на поверхности полупроводника р-типа образуется антизапорный слой. В образовании прочной связи при хемосорбции на полупроводнике участвуют и свободные носители (электроны или дырки) полупроводника.