液体吸附法测固体的比表面积.doc

实验六 液体吸附法测固体的比表面积1 实验目的（1）学会用次甲基蓝水溶液吸附法测定活性炭的比表面积。（2）了解郎缪尔单分子层吸附理论及溶液法测定比表面积的基本原理。2 实验原理在一定温度下，固体在某些溶液中的吸附与固体对气体的吸附很相似，可用朗缪尔单分子层吸附方程来处理。朗缪尔吸附理论的基本假定是：固体表面是均匀的，吸附是单分子层吸附，被吸附在固体表面上的分子相互之间无作用力，吸附平衡是动态平衡。根据以上假定，推导出吸附方程： (2-1) 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；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（mol/g）；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（mol/g）；c为达到吸附平衡时，溶质在溶液本体中的平衡浓度。将(2-1)式整理得： (2-2) 以1/对1/c作图得一直线，由此直线的斜率和截距可求得、K以及比表面积S比。 S比= NAA (2-3)式中，NA阿伏伽德罗常数；A为吸附质分子的截表面积（m2）；S比为比表面积。假设吸附质分子在表面是直立的，A=1.5210-18m2。活性炭是一种固体吸附剂，对染料次甲基蓝具有很大的吸附倾向。研究表明，在一定的浓度范围内，大多数固体对次甲基蓝的吸附是单分子层吸附，符合朗缪尔吸附理论。本实验以活性炭为吸附剂，将定量的活性炭与一定量的几种不同浓度的次甲基蓝相混合，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次甲基蓝溶液的浓度。从浓度的变化求出每克活性炭吸附次甲基蓝的吸附量。 (2-4)式中：V为吸附溶液的总体积(L)；m为加入溶液的吸附剂质量(g)；c和c0分别为平衡浓度和原始浓度(mol/g)。当原始溶液浓度过高时，会出现多分子吸附，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。本实验原始浓度为0.2%左右，平衡浓度不小于0.1%。次甲基蓝具有以下矩形平面结构：其摩尔质量为373.9g/mol，阳离子大小为17.0 7.6 3.25 10-30 m3。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 (2-5)式中，A为吸光度，I0为入射光强度，I为透过光强度，e为吸光系数，b为光径长度或液层厚度，c为溶液浓度。次甲基蓝溶液在可见区有2个吸收峰：445nm和665nm。但在445nm处活性炭吸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测量。 可见分光光度计的结构一般由五部分组成：3 仪器和试剂（1）仪器722型光电分光光度计及其附件1台；康氏振荡器1台；容量瓶(500mL)6个；容量瓶(50mL,100mL)各5个；2号砂心漏斗1只，带塞锥形瓶(100mL)5个；滴管若干；移液管若干。（2）药品次甲基蓝(质量分数分别为0.2%和0.1%的原始溶液和标准溶液)；颗粒状非石墨型活性炭。4 实验步骤（1）样品活化 将颗粒活性炭置于瓷坩埚中，放入500马弗炉中活化1h，然后置于干燥器中备用。(颗粒状活性炭已备好，此步骤略去)（2）平衡溶液取5个洁净干燥的100mL带塞锥形瓶，编号，分别准确称取活性炭0.1g置于瓶中，记录活性炭的用量。按下表中的数据配制不同浓度的次甲基蓝溶液，然后塞上磨口瓶塞，放置在康氏振荡器上振荡适当时间，振荡速率以活性炭可翻动为宜。吸附样品编号12345V(w0.2%次甲基蓝溶液)/mL302015105V(蒸馏水)/mL2030254045样品振荡达到平衡后，将锥形瓶取下，用砂心漏斗过滤，得到吸附平衡后溶液。分别称取滤液5g，放入500mL容量瓶中，并用蒸馏水稀释至刻度，待用。可以用减量法来称取活性炭,具体数据见数据处理4；室温下样品在振荡器上振荡12小时为宜，以吸附达到平衡为准。平衡滤液可认为其密度与水相同，取5mL即为5g，但我们发现，5mL稀释到500mL后的溶液吸光度已经超过了吸光光度计的测量范围，故选择取用2.5mL。（3）原始溶液为了准确称取质量分数约为0.2%的次甲基蓝原始溶液，称取2.5g溶液放入500mL容量瓶中，并用蒸馏水稀释至刻度，待用。（4）次甲基蓝标准溶液的配制用移液管吸取2mL，4mL，6mL，8mL，11mL质量分数0.01%标准次甲基蓝溶液于100mL容量瓶中。用蒸馏水稀释至刻度，即得210-6、410-6、610-6、810-6、1110-6的标准溶液，待用。次甲基蓝溶液的密度可以用水的密度代替。（5）选择工作波长对于次甲基蓝溶液，工作波长为665nm，由于各台分光光度计波长刻度略有误差，可取某一待用标准溶液，在600700nm范围内每隔5nm测量消光值，以吸光度最大的波长作为工作波长。测量时发现最大吸收波长为670nm，故第六步采用670nm作为工作波长。（6）测量吸光度以蒸馏水为空白溶液，在选定的工作波长下，分别测量5个标准溶液、5个稀释后平衡溶液以及稀释后的原始溶液的吸光度。5 实验数据记录及处理(1) 选择工作波长选择质量分数为210-6的平衡溶液测量其吸光度与波长的数据见表5-1：表5-1 质量分数为210-6的平衡溶液吸光度与入射光波长的关系/nm600605610615620625630635640645吸光度 A0.1450.1690.1870.2010.2100.2150.2210.2330.2530.282/nm650655660665670675680690700-吸光度 A0.3180.3520.3850.4080.4140.3820.3080.1390.048-做吸收曲线见图5-1，由图可见最大吸收波长为670nm：图5-1 质量分数为210-6的平衡溶液吸光度与入射光波长的吸收曲线（2）作次甲基兰溶液的浓度对吸光度的工作曲线根据公式： 其中M为次甲基蓝摩尔质量，为373.9g/mol；V1为标准液体积；V为容量瓶体积，都为0.1L；为溶液密度，看作与水相同；w为标准液质量分数，即0.01%。计算出实验数据如下表5-2：表5-2 各组标准溶液浓度与吸光度数据标准溶液编号12345V(w0.01%次甲基蓝溶液)/mL246811溶液浓度c(10-5mol/L)0.5351.071.602.142.94吸光度A0.4120.8311.2131.6281.938根据上表做出标准工作曲线见图5-2（由于第五个数据浓度过大吸光度不准确，屏蔽该数据后进行线性拟合）：Y = A + B * XParameterValueErrorA0.013470.01185B0.7540.0081-RSDNP-0.999880.0096841.1531E-4图5-2 标准工作曲线（左）及线性拟合数据（右）（3）.求次甲基蓝原始溶液的浓度和各个平衡溶液的浓度根据计算求得原始溶液的浓度为c0=9.4510-3mol/L各平衡溶液的浓度见表5-3：表5-3 各组平衡溶液浓度与吸光度数据吸附样品编号12345稀释后平衡溶液吸光度A1.4550.9980.7310.4460.183稀释后平衡溶液浓度(10-5mol/L)1.911.310.9520.5740.225平衡溶液浓度(10-3mol/L)3.822.621.901.150.450（4）计算吸附溶液的初始浓度按实验步骤2的溶液配制方法计算各吸附溶液的初始浓度，见表5-4：表5-4 各组平衡溶液初始浓度吸附样品编号12345V(w0.2%次甲基蓝溶液)/mL302015105V(蒸馏水)/mL2030254045原始溶液稀释倍数5/35/210/3510初始浓度(10-3mol/L)5.673.782.841.900.945(5)计算吸附量由平衡浓度c及初始浓度c0数据按式（2-4）计算吸附量，结果见表5-5：表5-5 各组平衡溶液吸附量吸附样品编号12345初始浓度c0(10-3mol/L)5.673.782.841.900.945平衡溶液吸光度A1.4550.9980.7310.4460.183平衡溶液浓度c(10-3mol/L)3.822.621.901.150.4501/c(L/mol)261.5382.9525.4871.62223.8活性炭质量(g)0.10840.10890.10620.10280.1013吸附量(10-3mol/g)1.701.060.8730.7320.4891/(g/mol)587940114613662045（6）作朗缪尔吸附等温线以为纵坐标，c为横坐标，作对c的吸附等温线图5-3 朗缪尔吸附等温线（7）求饱和吸附量和常数K计算1/、1/c，作1/1/c图。由直线方程求出及K值Y = A + B * XParameterValueError-A661.83744129.5763B0.650570.1164-RSDNP-0.95518186.15426 5 0.01131图5-4 1/1/c图（左）及线性拟合数据（右）计算得：=1/A=1.51110-3（8）计算活性炭样品的比表面积S比=NAA=1.383103 m2/g6 结果分析实验的标准曲线五个数据，观察可以看到前四个具有较好的线性，第五个由于浓度过大，造成偏离朗伯比尔定律，故在线性拟合时候屏蔽掉了该数据然后进行拟合。本次实验和上一组实验同学相比，平衡溶液稀释过程中取样减少一半，相当于又稀释一倍，目的是为了防止浓度过大偏离朗伯比尔定律。观察最终的拟合曲线，可以看到线性相对上组有较大的改善，已经可以看出明显的线性，但是拟合度也并不高。7 误差分析（1）吸光度大于0.8时，朗伯比尔定律已有偏差，最好稀释溶液后再进行测量，所以用标准曲线法测得的部分溶液浓度不准，影响后面计算。（2）并不是所有的吸附都是符合朗缪尔单分子层理论，按照Langmuir单分子层吸附理论, 溶液吸附法测定固体比表面积, 吸附质的浓度选择要适当, 即初始溶液的浓度以及吸附平衡溶液的浓度都要选择在合适的范围, 既防止初始溶液浓度过高导致出现多分子层吸附, 又可避免平衡后的浓度过低使吸附达不到饱和, 这个浓度范围在0. 1% 0. 2%之间。4号和5号吸附溶液浓度实际已在此范围之外, 说明吸附未能达到饱和，使线性出现问题。（3）溶液吸附法测定固体材料比表面积误差较大, 一般在10%甚至更高些, 对同一吸附剂，影响测定结果的因素有: 吸附温度、吸附质浓度、吸附振荡时间、吸附剂表面处理、仪器、药品等。本研究采用的紫外分光光度计无恒温装置, 测定吸光度时有一定误差。8 实验讨论本实验采用溶液吸附法测定固体比表面积，