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活性炭比表面积 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；Γ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）；Γ∞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/Γ对1/c作图得一直线，由此直线的斜率和截距可求得Γ∞、K以及比表面积S比。
S比= Γ∞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=1.52×10-18m2。
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Γ。
(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，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
1
2
3
4
5
V(w0.2%次甲基蓝溶液)/mL
30
20
15
10
5
V(蒸馏水)/mL
20
30
25
40
45
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1~2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2×10-
6、4×10-
6、6×10-
6、8×10-
6、11×10-6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600~700nm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2×10-6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2×10-6的平衡溶液吸光度与入射光波长的关系
λ/nm
600
605
610
615
620
625
630
635
640
645
吸光度 A
0.145
0.169
0.187
0.201
0.210
0.215
0.221
0.233
0.253
0.282
λ/nm
650
655
660
665
670
675
680
690
700
-
吸光度 A
0.318
0.352
0.385
0.408
0.414
0.382
0.308
0.139
0.048
-
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2×10-6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；ρ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
1
2
3
4
5
V(w0.01%次甲基蓝溶液)/mL
2
4
6
8
11
溶液浓度c(×10-5mol/L)
0.535
1.07
1.60
2.14
2.94
吸光度A
0.412
0.831
1.213
1.628
1.938
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）：
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=9.45×10-3mol/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
1
2
3
4
5
稀释后平衡溶液吸光度A
1.455
0.998
0.731
0.446
0.183
稀释后平衡溶液浓度(×10-5mol/L)
1.91
1.31
0.952
0.574
0.225
平衡溶液浓度(×10-3mol/L)
3.82
2.62
1.90
1.15
0.450
（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
1
2
3
4
5
V(w0.2%次甲基蓝溶液)/mL
30
20
15
10
5
V(蒸馏水)/mL
20
30
25
40
45
原始溶液稀释倍数
5/3
5/2
10/3
5
10
初始浓度(×10-3mol/L)
5.67
3.78
2.84
1.90
0.945
(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Γ，结果见表5-
5：
表5-5 各组平衡溶液吸附量Γ
吸附样品编号
1
2
3
4
5
初始浓度c0(×10-3mol/L)
5.67
3.78
2.84
1.90
0.945
平衡溶液吸光度A
1.455
0.998
0.731
0.446
0.183
平衡溶液浓度c(×10-3mol/L)
3.82
2.62
1.90
1.15
0.450
1/c(L/mol)
261.5
382.9
525.4
871.6
2223.8
活性炭质量(g)
0.1084
0.1089
0.1062
0.1028
0.1013
吸附量Γ(×10-3mol/g)
1.70
1.06
0.873
0.732
0.489
1/Γ(g/mol)
587
940
1146
1366
2045
（6）作朗缪尔吸附等温线
以Γ为纵坐标，c为横坐标，作Γ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Γ∞和常数K
计算1/Γ、1/c，作1/Γ~1/c图。由直线方程求出Γ∞及K值
图5-4 1/Γ~1/c图（左）及线性拟合数据（右）。