實(shí)驗(yàn)19固體在溶液中的吸附

1、物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)備課材料實(shí)驗(yàn)19 固體在溶液中的吸附當(dāng)固體和溶液接觸時(shí)，其表面總是被溶質(zhì)和溶劑分子所占滿，即溶液中的固相吸附是溶質(zhì)和溶劑分子爭(zhēng)奪表面的凈結(jié)果。溶質(zhì)在固體表面或自然膠體表面上相對(duì)聚集的現(xiàn)象稱為吸附。另一方面，溶質(zhì)在自然膠體或固體表面上濃度升高、在液相中濃度下降的現(xiàn)象也被稱為吸附?？紤]到這種吸附是一種表觀現(xiàn)象，所以又稱為吸著或吸持。吸持（或吸著）包括吸附、表面沉淀和聚合等。吸附溶質(zhì)的膠體或固體稱為“吸附劑”，被吸附的溶質(zhì)稱為“吸附質(zhì)”。吸附的分類有多種。歸納起來主要包括：（1）物理吸附（固體通過范德華引力的作用吸附周圍分子）和化學(xué)吸附（固體通過化學(xué)鍵力的作用吸附周圍分子）；（2） 選擇

2、吸附（固體從溶液中選擇吸附某種離子）、分子吸附（固體在溶液中等當(dāng)量地吸附正離子和負(fù)離子）和交換吸附（固體從溶液中吸附了一種離子，同時(shí)又放出一種離子）；（3）專性吸附（吸附劑和吸附質(zhì)的結(jié)合力較強(qiáng)）和非專性吸附（吸附劑和吸附質(zhì)的結(jié)合力較弱）；（4）表面吸附（又稱物理吸附）、離子交換吸附（固體對(duì)各種離子的吸附）和專屬吸附（吸附過程中既有化學(xué)鍵的作用，也有加強(qiáng)的憎水鍵和范德華力作用）。在各種分類中，物理吸附和化學(xué)吸附因充分考慮了吸附分子與表面固體分子或原子間的相互作用力性質(zhì)而相對(duì)有助于揭示吸附機(jī)制。固相表面的吸附過程和特征可用非線性吸附等溫式來描述 ，其中常用的有Langmuir和Freundlic吸

3、附等溫式。固體在溶液中的吸附是最常見的吸附現(xiàn)象之一，許多吸附劑、催化劑載體及粉狀填料如硅膠、活性氧化鋁、硅藻土以及各種吸附樹脂等都是多孔性物質(zhì)，具有高度發(fā)達(dá)的比表面，根據(jù)其組成和結(jié)構(gòu)的差異，各有不同的吸附特性?；钚蕴?activated carbon)是一種主要的吸附劑，用途廣泛，氣相吸附中可用于吸附各類有機(jī)蒸氣、油品蒸氣及許多有害氣體，也可用于對(duì)溶液中某種物質(zhì)的吸附。活性炭在水溶液中對(duì)不同吸附質(zhì)有著不同的吸附能力，根據(jù)這種吸附作用的選擇性，在工業(yè)上有著廣泛的應(yīng)用，如各種水溶液的脫色、除臭，水的凈化，食品、藥物的精制提純以及廢水處理等?；钚蕴康闹饕煞质翘?，作為一種非極性吸附劑，易從水溶液中吸

4、附非極性物和長(zhǎng)鏈有機(jī)物。但活性炭表面還有少量碳氧結(jié)合物，所以對(duì)某些極性物也有一定吸附作用，對(duì)活性炭進(jìn)行表面改性，提高其含氧基含量，則對(duì)極性物的吸附作用增大。一、目的要求(1)以活性炭在醋酸溶液中的吸附為例，驗(yàn)證費(fèi)勞因特立希(Freundlich)固一液界面吸附等溫式。(2)求測(cè)活性炭-醋酸吸附等溫式中的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。(3)了解活性炭是用途廣泛的吸附劑，除了用于吸附氣體外，也用于溶液中的吸附。二、實(shí)驗(yàn)原理某些固體物質(zhì)可以從溶液中將溶質(zhì)吸附在它的表面上，吸附量的大小與吸附劑及吸附質(zhì)的種類、溫度、吸附劑的比表面、吸附質(zhì)的平衡濃度有關(guān)。在指定溫度下，對(duì)于一定的吸附劑和吸附質(zhì)來說，吸附量可以用費(fèi)勞因特立希經(jīng)

5、驗(yàn)方程式表示:式中-吸附量m-吸附劑的質(zhì)量;x-吸附質(zhì)被吸附的量（mol），x/m稱為吸附量;C-吸附平衡時(shí)溶液的濃度（mol/L）;k與n-兩個(gè)經(jīng)驗(yàn)常數(shù)（與溫度、溶劑、吸附劑與吸附質(zhì)的性質(zhì)有關(guān), 一般 1/n1）上式的對(duì)數(shù)形式是:lnnlnC+lnk如以ln對(duì)lnC作圖得一直線，直線的斜率是n，截距是lnk，從而求得n，k。式是經(jīng)驗(yàn)方程式，只適用于溶質(zhì)濃度不太大和不太小的溶液。從公式上看，k為c=1moldm-3時(shí)的吸附量，但實(shí)際上此時(shí)式可能已不適用。根據(jù)單分子層吸附理論，當(dāng)固體在溶液吸附達(dá)到飽和時(shí)，可以認(rèn)為吸附質(zhì)分子鋪滿整個(gè)吸附劑的表面而不留空。此時(shí)1克吸附劑吸附的吸附質(zhì)分子所占的表面積即

6、為比表面積S，它等于1克吸附劑吸附的吸附質(zhì)的克數(shù)(或摩爾)，與每克吸附質(zhì)在表面層所占的面積S=*A (m2/g)1.的測(cè)量若將m克吸附劑與V升吸附質(zhì)濃度為C0的溶液恒溫振搖到吸附平衡，測(cè)出其平衡濃度C，則，整理得C/=1/(k) +(1/)C 或 將C/對(duì)C作圖得一直線，求得和k。以1/對(duì)1/c作圖得一直線，由此直線的斜率和截距可求得和常數(shù)K，K與吸附和脫附平衡常數(shù)有關(guān)，與式中的k意義不同。2 .A的意義A是一個(gè)與吸附分子在表面的幾何方位有關(guān)，且隨體系面異的。一般用已知比表面的樣品，通過吸附實(shí)驗(yàn)反求A值。根據(jù)飽和吸附量的數(shù)據(jù)，按照Langmuir單分子層吸附模型，假定吸附質(zhì)分子在吸附劑表面上是

7、直立的，則活性炭上的比表面積S0可按下式計(jì)算：S0=N Am（m2g-1）式中 N 為阿弗加德羅常數(shù)（6.021023 mol-1 ）；Am為吸附質(zhì)分子的橫截面積（m2），每個(gè)醋酸分子截面積為24.3 2（注：1m210202），根據(jù)水空氣界面上對(duì)于直鏈正脂肪酸測(cè)定的結(jié)果而得。比表面積是1g活性炭所具有顆粒的外表面積與顆粒內(nèi)孔隙的內(nèi)表面積的總和?；钚蕴康谋缺砻娣e通常為500 1500三、儀器藥品水浴恒溫振蕩器1臺(tái)，堿式滴定管1支，100mL具塞錐形瓶8個(gè)，150mL廣口錐形瓶2個(gè)，10mL、20mL、25 mL移液管各1根。0.1 mol/L NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液，酚酞指示劑，活性炭(20-40目

8、，比表面300-400m2/g，色層分析，干燥處理后用)，濾紙，0.4、0.3、0.2、0.1、0.08、0.04mol/L四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容(1)在6個(gè)干燥的錐形瓶上分別標(biāo)以號(hào)碼，并在各瓶中稱入0.5g左右(準(zhǔn)確到0.001g)活性炭，然后按下表分別加入醋酸溶液50mL。編號(hào)123456醋酸濃度（mol/L）0.40.30.20.10.080.04（2）溶液加好以后，塞好錐瓶，置于恒溫下振蕩，使吸附平衡。由于稀溶液較易達(dá)成平衡，濃溶液次之，故振蕩半小時(shí)后先取稀溶液進(jìn)行滴定。（3）為求得吸附量應(yīng)準(zhǔn)確標(biāo)定醋酸的原始濃度C0和平衡濃度C（用0.1 mol/L NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液標(biāo)定），由于吸附后醋酸的濃度

9、不同，所取體積也應(yīng)不同。1、2號(hào)錐瓶取10mL，3、4號(hào)錐瓶取20mL，5、6號(hào)錐瓶取40mL。五、數(shù)據(jù)處理(1)用NaOH溶液標(biāo)定初始濃度C0和平衡濃度C，再由初始濃度C0和平衡濃度C數(shù)據(jù)計(jì)算各瓶中醋酸被活性炭吸附的量。（C0-C）V/m式中，V為溶液的總體積（以m3計(jì)算），m為吸附劑的質(zhì)量（kg）。（2）數(shù)據(jù)列表處理。NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液：0.1050mol/L編號(hào)123456VHAC101020204040VNaOHC0（mol/L）0.40230.30060.20290.09960.08080.0412可吸附量C0V（mol）0.020120.015030.010150.004980.00

10、4040.00206C（mol/L）0.36540.25720.18420.08740.07840.0322可吸附量CV（mol）0.018270.012860.009210.004370.003920.00161m（10-3g0.49970.50150.50400.50290.50530.5042（mol/kg）3.692224.327021.855161.212960.237480.8925C/0.098960.059440.099290.072060.330130.03608lnC-1.00676-1.3579-1.69173-2.43726-2.54593-3.43579ln1.306

11、231.464880.617970.19307-1.43766-0.11373（3）作C，lnlnC，C/C圖，求得經(jīng)驗(yàn)常數(shù)n，k，和。C lnlnCY = 2.13032+ 0.86179 * Xlnk=2.13032, n= 0.86179, C/CY = 0.04847 + 0.13331 * X1/=0.13331, =7.5013（mol/kg）（4）由計(jì)算活性炭的比表面積。S0=N Am=7.5013 mol/kg6.021023 mol-1 24.310-20 m2=1.097106（m2kg六、注意事項(xiàng)(1) 熟練掌握過濾，滴定，移液等基本操作。編好號(hào)的干的錐瓶，絕對(duì)不能加錯(cuò)樣

12、品。(2)加好樣品后，隨時(shí)蓋好瓶塞，以防醋酸揮發(fā)，以免引起結(jié)果偏差較大。(3)本實(shí)驗(yàn)所用溶液均需用不含CO2 的蒸餾水配置。溶液配好搖勻后再放入活性炭。(4)將120下烘干的活性炭約0.5g（準(zhǔn)卻稱量至0.001g），放入錐瓶中在恒溫條件下振蕩適當(dāng)?shù)臅r(shí)間（視溫度而定，一般0.52（5）本實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵是吸附一定要達(dá)到平衡，6個(gè)瓶的吸附溫度要相同。（6）活性炭吸附醋酸是可逆吸附，因此使用過的活性炭可回收利用（用蒸餾水浸泡數(shù)次，烘干、抽氣后即可）。（7）實(shí)驗(yàn)的所得的比表面積，往往比實(shí)際數(shù)據(jù)要小一些，原因：忽略了界面上被溶劑占據(jù)的部分；吸附劑表面上的小孔，脂肪酸不能鉆進(jìn)去，故使得所測(cè)值比實(shí)際數(shù)據(jù)小。但是

13、該方法測(cè)定手續(xù)簡(jiǎn)便，不需要特殊儀器，仍是了解固液吸附性的一種簡(jiǎn)便方法。298K時(shí)用木炭吸附水溶液中的溶質(zhì)A，體系符合Freundlich吸附定溫式 ，k=0.5，n=3.0。七、思考題1.影響固體對(duì)溶液中溶質(zhì)的吸附有哪些因素？固體吸附氣體與吸附溶液中的溶質(zhì)有何不同？ 答：吸附量的大小與吸附劑及吸附質(zhì)的種類、溫度、吸附劑的比表面、吸附質(zhì)的平衡濃度有關(guān)。2.如何加快吸附達(dá)到平衡？如何確定平衡已經(jīng)達(dá)到？ 答：在恒溫條件下振蕩適當(dāng)?shù)臅r(shí)間,振蕩速度以活性炭可翻動(dòng)，可以加快吸附達(dá)到平衡。當(dāng)HAC濃度不再變化，說明平衡已經(jīng)達(dá)到。3.降低吸附溫度對(duì)吸附有什么影響？ 答：吸附量的大小與吸附劑及吸附質(zhì)的種類、溫度、吸附劑的比表面、吸附質(zhì)的平衡濃度有關(guān)。當(dāng)其他條件固定時(shí)，降低吸附溫