溶液吸附法测固体比表面积.docx
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溶液吸附法测固体比表面积
实验五溶液吸附法测固体比表面积
一、实验目的:
1.了解溶液吸附法测定固体比表面的优缺点。
2.掌握溶液吸附法测定固体比表面积的基本原理和测定方法。
3.用亚甲基蓝水溶液吸附法测定活性碳、硅藻土、碱性层析氧化铝比表面积。
二、实验原理：
①Langmuir吸附定律：
在一定温度下以及一定的浓度范围内，大多数固体对次甲基蓝的吸附是单分子层吸附，与固体对气体的吸附很相似，可用Langmuir单分子层吸附模型来处理。
Langmuir吸附理论的基本假定是：
a）固体表面是均匀的；
b）吸附是单分子层吸附；
c）被吸附在固体表面上的分子相互之间无作用力；
d）吸附剂一旦被吸附质覆盖就不能被再吸附；
e）吸附平衡时，吸附和脱附建立动态平衡；
f）吸附平衡前，吸附速率与空白表面成正比，解吸速率与覆盖度成正比。
根据以上假定，推导出吸附方程：
设固体表面的吸附位总数为N，覆盖度为θ，溶液中吸附质的浓度为c，根据上述假定，有
?
）c（kr=kN（1-为吸附速率常数）吸附速率:
11吸?
=rkN（k为脱附速率常数）
脱附速率:
-1-1脱?
?
N=N（1-k）c当达到吸附平衡时:
r=r即k-11脱吸Kc:
由此可得
（1）
吸θ?
1?
Kc吸式中K=k/k称为吸附平衡常数，其值决定于吸附剂和吸附质的性质及温11-吸度，K值越大，固体对吸附质吸附能力越强。
若以q表示浓度c时的平衡吸附量，吸?
=q/:
q以q表示全部吸附位被占据时单分子层吸附量，即饱和吸附量，则?
?
q代入式
（1）得）（2
式中：
K为吸附作用的平衡常数，也称为吸附系数，与吸附质、吸附剂性质及温度有关，其值越大，则表示吸附能力越强；q为平衡吸附量，1g吸附剂达吸附平衡时，吸附的溶质的物质的量（mg/g）；q为饱和吸附量，1g吸附剂的表面∞上盖满一层吸附质分子时所能吸附的最大量（mg/g）；c为达到吸附平衡时，溶质在溶液本体中的平衡浓度。
．
②吸附剂对亚甲基蓝的吸附
溶液吸附法的吸附质一般用亚甲基蓝、苯酚、硬脂酸等，水溶性吸附质广泛应用于测定固体比表面积，由于在所有染料中亚甲基蓝具有最大的吸附倾向，故本实验选用亚甲基蓝作为吸附质，以活性碳、硅藻土、碱性层析氧化铝作为固体吸附剂。
亚甲基蓝（）具有以下矩形平面结构：
MethyleneBluetrihydrate
3。
7.6×3.25?
摩尔质量为319.85g/mol，阳离子大小为17.0×2，侧面吸附投影面135?
亚甲基蓝的吸附有三种取向：
平面吸附投影面积为22。
，端基吸附投影面积为积为75?
39.5?
对于非石墨型的活性碳及硅藻土，亚甲基蓝可能不是平面吸附而是端基吸附，根据实验结果推算，在单层吸附的情况下，1mg亚甲基蓝的覆盖面积可按2计算。
而对AlO2.45m则可能是侧面吸附。
32本实验将定量的三种固体吸附剂与一定量的亚甲基蓝溶液相混合，在常温下振荡，使其达到吸附平衡。
用分光光度计测量吸附前后亚甲基蓝溶液的浓度。
从浓度的变化求出每克活性碳吸附亚甲基蓝的吸附量q。
q=
（3）
式中：
q为吸附量（mg/g），c为亚甲基蓝原始浓度（ppm），c为亚甲基蓝平0衡浓度（ppm），w为固体样品重（g）。
求出三种固体吸附剂对亚甲基蓝的饱和吸收量后，就可以由下式求出各种固体比表面积。
S=qa）4（式中：
q为吸附量（mg/g）,a为1mg亚甲基蓝覆盖固体的面积，对活性碳和2。
2.45m硅藻土为③Lambert-Beer定律：
根据光吸收定律，当入射光为一定波长的单色光时，某溶液的吸光度与溶液中有色物质的浓度及溶液层的厚度成正比
I?
bc?
lg?
kcA?
?
（5）
I0AII?
b为摩尔吸光系数，为入射光强度，为吸光度，为透过光强度，式中，0c为溶液浓度。
为光径长度或液层厚度，由于同一种溶液在不同波长处测得吸光度不同，为提高测量灵敏度，将吸光度A对波长作图得溶液吸附曲线，工作波长就选取在吸光度A最大处。
处活性碳吸445nm但在。
665nm和445nm个吸收峰：
2亚甲基蓝溶液在可见区有．
附对吸收峰有很大的干扰，故本试验选用的工作波长为665nm，并用分光光度计进行实际测量。
可见分光光度计的结构一般由五部分组成：
三、仪器和试剂：
1）、仪器：
722型光电分光光度计及其附件1台（如下图Fig#1）；
康氏振荡器1台（如下图Fig#2）；
分析天平一台；
烘箱一台；
容量瓶：
1000ml1只，100mL5只，50mL1只；
移液管：
5ml1支，10ml1支；
具塞锥形瓶：
100mL3个；
长颈玻璃漏斗3只；
烧杯：
50ml4个；
洗瓶一个；
洗耳球一只；
滴管若干。
2）、试剂：
亚甲基蓝（100ppm标准溶液）；
粉末状非石墨型活性碳；
硅藻土；
碱性AlO。
32实验装置图：
四.
康氏振荡器Fig#2型光电分光光度计Fig#1722．
四、实验步骤:
样品活化步骤略去。
1、吸附量的测定
准确配制100ppm亚甲基蓝1000ml。
取100ml具塞锥形瓶3只，洗涤烘干。
分别准确称取活性碳0.01g；硅藻土0.1g；碱性AlO0.3g，（实际各试剂称取量32见表Tab#1）各置于一个锥形瓶中，编号。
再分别加50ml（容量瓶取）100ppm亚甲基蓝溶液，加塞后置于振荡器上振荡1.5h。
2、配制亚甲基蓝标准溶液
用移液管吸取1mL，3mL，5mL，8mL，10mL浓度为100ppm的标准亚甲基蓝溶液于100mL容量瓶中。
用蒸馏水稀释至刻度，定容摇匀，即得1ppm、3ppm、5ppm、8ppm、10ppm的标准溶液，待用。
亚甲基蓝溶液的密度可以用水的密度代替。
3、选择工作波长
对于亚甲基蓝溶液，工作波长为665nm，由于各台分光光度计波长刻度略有误差，应自行选取工作波长。
可取3ppm标准溶液，在600nm~700nm范围内先按10nm间隔测吸光度，再于最大吸光波长左右分别以2nm为间隔测吸光度，以吸光度最大的波长作为工作波长。
得到入射光波长与吸光度关系表Tab#2，并绘制亚甲基蓝吸收曲线图。
Fig#3测量时发现最大吸收波长为664nm，故步骤4和步骤5即采用664nm作为工作波长。
4、制作亚甲基蓝工作曲线
以蒸馏水为空白，用1cm比色皿分别测定1ppm、3ppm、5ppm、8ppm、10
ppm亚甲基蓝标准溶液的吸光度。
得到亚甲基蓝浓度与吸光度关系表Tab#3，并作吸光度A-亚甲基蓝浓度c工作曲线Fig#4，备用。
5、测定亚甲基蓝平衡浓度
样品振荡1.5小时后，取下锥形瓶，分别用滤纸和玻璃长颈漏斗过滤，分别用烧杯收集滤液，根据颜色深浅稀释不同倍数，使吸光度在工作曲线范围内。
测定三种稀释液的吸光度，并在工作曲线上求出相应浓度，乘以稀释倍数求出三种滤液的平衡浓度，得数据见Tab#5。
实验测定完成后，关闭分光光度计，倒掉比色皿中溶液，用蒸馏水、乙醇洗净，放入盒中。
倒掉残余的亚甲基蓝溶液，洗净各类玻璃仪器，整理试验台，指导老师签字。
五、数据记录与处理
（原始数据记录见附页1）
实际各试剂称取量
试剂
亚甲基蓝
粉状活性碳
硅藻土
碱性氧化铝
/g称取量
0.0986
0.0106
0.1008
0.3018
Tab#1
（1）亚甲基蓝溶液工作波长的确定
最大吸收波长的测量，以质量分数为3ppm的标准溶液为待测液，?
与A关系表
?
/nm
600
610
620
630
640
650
652
6654
656
658
A
0.275
0.326
0.343
0.360
0.423
0.519
0.530
0.547
0.563
0.577
?
/nm
660
662
664
666
668
670
680
690
700
-
A
0.595
0.597
0.604
0.602
0.596
0.579
0.363
0.157
0.064
-
Tab#2
绘制吸收曲线如下图：
Fig#3
Fig#3可以看出，当吸收波长为664nm时候,溶液的吸光度最大，故选取664nm为工作波长。
（2）吸光度A-亚甲基蓝浓度c标准工作曲线的制作
亚甲基蓝浓度与吸光度关系表：
标准溶液编号
1
2
3
4
5
V（标准溶液）/mL
1.00
3.00
5.00
8.00
10.00
溶液浓度/ppm
1.00
3.00
5.00
8.00
10.00
吸光度A
0.229
0.604
0.943
1.453
1.767
Tab#3
：
Fig#4标准工作曲线如下图c亚甲基蓝浓度A-做出吸光度．
Fig#4
Tab#4
2=0.99903
线性匹配度R可得线性拟合方程为：
A=0.17052c+0.0784
（3）三种固体吸附亚甲基蓝平衡浓度测定：
由三稀释液的吸光度A分别求出其稀释后浓度c，再乘上稀释倍数即得亚甲基蓝平衡浓度：
吸附剂
活性碳
硅藻土
碱性氧化铝
稀释倍数
10
10
10
吸光度A
1.173
0.914
1.115
稀释液浓度/ppm
6.419
4.900
6.079
平衡浓度c/ppm
64.19
49.00
60.79
Tab#5
（4）三种固体的饱和吸附量
）3（中三种吸附剂固体样品重代入公式Tab#1中三种吸附剂平衡浓度及Tab#5将
q=
（3）
式中：
q为吸附量（mg/g），c为亚甲基蓝原始浓度（ppm），c为亚甲基蓝平0衡浓度（ppm），w为固体样品重（g）。
得到三种固体吸附剂的饱和吸附量如下表Tab#6：
固体吸附剂
活性碳
硅藻土
碱性氧化铝
平衡浓度c/ppm
64.19
49.00
60.79
原始浓度c/ppm0
100
100
100
固体样品重w/g
0.0106
0.1008
0.3018
-1）mg·g吸附量q/（
168.9
25.30
6.496
Tab#6
由表可以看出对于亚甲基蓝的吸附量顺序为:
活性碳>硅藻土>碱性AlO3
2可能存在这种情况,由于使用的活性碳选取的是粉末状,会使其吸附比较充分而导致测得吸附量偏大,但与颗粒状活性碳吸附量相比不会存在太大偏差,故依然是以上顺序。
（5）三种固体比表面积的计算
将Tab#6中三种固体的吸附量代入计算公式（4）进行计算：
S=qa）4（式中：
q为吸附量（mg/g）,a为1mg亚甲基蓝覆盖固体的面积，对单层端基2，对单层侧面吸附的碱性AlO其吸附的活性碳和硅藻土为2.45ma可以按照322222代入，得到下表75?
Tab#7/39.5?
2.45m=4.65m*
固体吸附剂
活性碳粉末
硅藻土
碱性氧化铝
-1）（吸附量q/mg·g
168.9
25.30
6.496
21mg覆盖面积a/m
2.45
2.45
4.65
比表面积S
414
62.0
30.2
Tab#7
六、思考题：
1.亚甲基蓝浓度过高或过低有何缺点，如何调整？
本实验用到的是符合Langmuir模型的单分子层吸附,当亚甲基蓝溶液浓度过高时，会出现多分子层吸附，如果平衡后的浓度过低，吸附又不能达到饱和。
因此原始溶液浓度和平衡浓度都应选择在适当的范围，本实验原始溶液浓度为100ppm左右，平衡浓度不小于10ppm。
若浓度过高，应该用容量瓶将过浓溶液稀释一定倍数至浓度在适当范围内；浓度过低则应加入一定量亚甲基蓝再测量计算或重新配制溶液。
2.溶液吸附法测比表面积的主要优缺点是哪些？
优点：
与BET低温气体吸附法、电子显微镜法和气相色谱法等测定固体比表面积的方法相比，溶液吸附法测比表面积：
1）仪器简单易得；
2）实验过程操作方便；
3）不要求真空等复杂条件；
4）时间缩短一半，只需4个小时；
5）可以同时测定多种样品。
缺点：
测定结果有一定相对误差，主要原因在于，吸附时非球形吸附层在各种吸附剂的比表面积取向并不一致，每个吸附分子的投影面积可以相差很远，2，氧化铝则是侧面吸?
如本实验活性碳和硅藻土端基吸附投影面积39.5
2，误差较大。
若需比较准确的结果，还需要用气体吸附法75?
附投影面积校正。
七、实验讨论：
2为0.99903由亚甲基蓝工作曲线图及数据表可以看出其线性符合程度很好，R，1、将实验所得的三种滤液吸光度A，代入工作曲线所分别求得的溶液浓度c将比较0符合实际浓度，有较高可信度。
2、在称取活性碳时，动作要迅速，尤其是本实验所取吸附剂之一为活性碳齑粉，更容易吸潮，会导致活性碳对亚甲基蓝的吸附减少，使得测量结果偏小，但又由于是粉状吸附会更充分。
在每次称量完后都需要盖上活塞。
活性碳的质量应尽量接近提供的0.1g值，本实验取非石墨活性碳粉末0.1008g，以保证有吸附达到平衡又没有明显的过饱和现象。
3、震荡时间要充分，不少于1.5h。
震荡速度需适中，不宜过大或者过小，以最有利于吸附100r左右为宜以期达到平衡吸附量。
4、使用分光光度计时应注意：
（1）比色皿放入样品室前，用擦镜纸擦干比色皿外的的溶液，手持比色皿磨砂面，切忌用手触碰比色皿透光面。
（2）每改变一次测量波长，都需要重新进行T100%校准，以使仪器能够适应新的波长值。
若波长改变较大则需要静待一段时间，以使光电感应管等达到所需的响应时间，仪器调整到所需工作状态。
（3）使用过程中为防止光电管因受连续照射而疲劳，只在测量时才将比色皿暗箱盖放下。
5、溶液要按从稀到浓的顺序测溶液吸光度以减少误差，若待测液浓度过大，将导致吸光度较大，且易出现多分子层吸附，需要二次稀释，这样会增加实验误差。
在以后的实验中，可根据已有经验，主要选择合适的稀释倍数，使得吸光度的值三种吸附剂吸附并稀释后的本次试验中，为宜。
0.8-1.5为A以在正常范围内，
溶液吸光度A分别为1.173（活性碳）、0.914（硅藻土）、1.115（碱性氧化铝），说明本次稀释倍数相当合理，所得结果比较符合实际。
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