1、实验八十四 固体在溶液中的吸附一、实验目的（1）测定活性炭在醋酸水溶液中对醋酸的吸附作用，并由此计算活性炭的比表面；（2）验证弗罗因德利希（Freundlich）经验公式和兰格缪尔(Langmuir)吸附公式；（3）了解固-液界面的分子吸附。二、实验原理对于比表面很大的多孔性或高度分散的吸附剂，象活性炭和硅胶等，在溶液中有较强的吸附能力。由于吸附剂表面结构的不同，对不同的吸附质有着不同的相互作用，因而吸附剂能够从混合溶液中有选择地把某一种溶质吸附。根据这种吸附能力的选择性，在工业上有着广泛的应用，如糖的脱色提纯等吸附能力的大小常用吸附量 表示之。 通常指每克吸附剂吸附溶质的物质的量，在恒定温度
2、下，吸附量与溶液中吸附质的平衡浓度有关，弗罗因德利希（Freundlich）从吸附量和平衡浓度的关系曲线，得出经验方程：(1)nkcmx1式中：x 为吸附溶质的物质的量，单位为 mol；m 为吸附剂的质量，单位为 g；c 为平衡浓度，单位为 molL-1； k，n 为经验常数，由温度、溶剂、吸附质及吸附剂的性质决定（n 一般在 0.1-0.5 之间） 。将（1）式取对数：lg = lg lgc +lgk (2)mxn1以 lg 对 lgc 作图可得一直线，从直线的斜率和截距可求得 n 和 k。 （1）式纯系经验方程式，只适用于浓度不太大和不太小的溶液。从表面上看，k 为 c=1 时的 ，但这时
3、（1）式可能已不适用。一般吸附剂和吸附质改变时，n 改变不大，而 k 值则变化很大。兰格缪尔(Langmuir)根据大量实验事实，提出固体对气体的单分子层吸附理论，认为固体表面的吸附作用是单分子层吸附，即吸附剂一旦被吸附质占据之后，就不能再吸附。固体表面是均匀的，各处的吸附能力相同，吸附热不随覆盖程度而变，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，并由此导出下列吸附等温式，在平衡浓度为 c 时的吸附量 可用下式表示：(3)ck1为饱和吸附量，即表面被吸附质铺满单分子层时的吸附量。k 是常数，也称吸附系数。将(3)式重新整理可得：= + c (4)ck1以 对 c 作图，得
4、一直线，由这一直线的斜率可求得 ，再结合截距可求得常数 k。这个 k 实际上带有吸附和脱附平衡的平衡常数的性质，而不同于弗罗因德利希方程式中的 k。根据 的数值，按照兰格缪尔单分子层吸附的模型，并假定吸附质分子在吸附剂表面上是直立的，每个醋酸分子所占的面积以 0.243nm2 计算( 此数据是根据水-空气界面上对于直链正脂肪酸测定的结果而得)。则吸附剂的比表面 S0 可按下式计算得到： (5)182300 4.0.6aNS式中 S0 为比表面，即每克吸附剂具有的总表面积(m 2/g)；N 0 为阿佛加德罗常数(6.021023 分子/摩尔)； 为每个吸附分子的横截面积；10 18 是因为 1m
5、2=1018nm2 所引入的换算因子。根据上述所得的比表面积，往往要比实际数值小一些。原因有二：一是忽略了界面上被溶剂占据的部分；二是吸附剂表面上有小孔，醋酸不能钻进去，故这一方法所得的比表面一般偏小。不过这一方法测定时手续简便，又不要特殊仪器，故是了解固体吸附剂性能的一种简便方法。三、实验仪器与试剂1、仪器HY-4 型调速多用振荡器（江苏金坛）1 台，带塞锥形瓶(125mL)7 只，移液管(25mL、5mL、10 mL) 各 1 支，洗耳球 1 支，碱式滴定管 1 支，温度计 1 支，电子天平1 台，称量瓶 1 个。2、实验试剂NaOH 标准溶液（ 0.0910molL-1） ，醋酸标准溶液
6、（0.3958 molL-1） ，活性炭，酚酞指示剂。四、实验步骤（1）准备 6 个干的编好号的 125 mL 锥形瓶（带塞） 。按记录表格中所规定的浓度配制 50 mL 醋酸溶液，注意随时盖好瓶塞，以防醋酸挥发。（2）将 120下烘干的活性炭（本实验不宜用骨炭）装在称量瓶中，瓶里放上小勺，用差减法称取活性炭各约 1g(准确到 0.001g)放于锥形瓶中。塞好瓶塞，在振荡器上振荡半小时，或在不时用手摇动下放置 1 小时。（3）使用颗粒活性炭时，可直接从锥形瓶里取样分析。如果是粉状性活性炭，则应过滤，弃去最初 10mL 滤液。按记录表规定的体积取样，用标准碱溶液滴定。 （4）活性炭吸附醋酸是可逆
7、吸附。使用过的活性炭可用蒸馏水浸泡数次，烘干后回收利用。五、注意事项（1）温度及气压不同，得出的吸附常数不同（2）使用的仪器干燥无水；注意密闭，防止与空气接触影响活性炭对醋酸的吸附。（3）滴定时注意观察终点的到达。（4）在浓的 HAc 溶液中，应该在操作过程中防止 HAc 的挥发，以免引起较大的误差。（5）本实验溶液配制用不含 CO2 的蒸馏水进行。六、实验记录与处理（1）将实验数据记录到表 84-1。（2）由平衡浓度 c 及初始浓度 c0，按公式： 计算吸附量，式中 Vmc0V为溶液总体积，单位为 L；m 为活性炭的质量，单位为 g。（3）作吸附量 对平衡浓度 c 的等温线。（4）以 lg
8、对 lgc 作图，从所得直线的斜率和截距可求得(1)式中的常数 n 和 k。（5）计算 ，作 - c 图，由图求得 ，将 值用虚线作一水平线在 - c 图上。这一虚线即是吸附量 的渐近线。（6）由 根据(5) 式计算活性炭的比表面。表 84-1 实验数据记录实验温度： 大气压：编号 1 2 3 4 5 60.4MHAc(mL) 50 25 15 7.5 4 2水(mL) 0 25 35 42.5 46 48活性炭量 m(g) 1.0021 1.0044 1.0024 1.0155 1.0780 1.0031醋酸初浓度c0(mol/L)0.3958 0.1979 0.1187 0.0594 0.
9、0317 0.0158滴定时取样量 5 10 25 25 25 25(mL)滴定耗碱量(mL) 20.89 20.30 29.31 13.70 7.15 3.60醋酸平衡浓度c(mol/L)0.3802 0.1847 0.1067 0.0499 0.0260 0.0131(molg) 0.764610-30.657110-30.598610-30.467710-30.264410-30.134610-3lgc -0.4200 -0.7335 -0.9718 -1.3019 -1.5850 -1.8827lg -3.1166 -3.1824 -3.2229 -3.3300 -3.5777 -3.
10、8710c 497.2535 281.0835 178.2492 106.6923 98.3359 97.3254(1)吸附量 对平衡浓度 c 的等温线0. 0.50.10.150.20.250.30.350.40.010.020.030.040.050.060.070.08 BY Axis TitleX Axis Title(2)以 lg 对 lgc 作图-2 0-3.9-3.8-3.7-3.6-3.5-3.4-3.-3.2-3.1Y Axis TitleX Axis TitleB0. 0.50.10.150.20.250.30.350.41020304050Y Axis TitleX Axis TitleB(3)作 c/-c 图，有（1）图七、思考题（1）吸附作用与哪些因素有关？固体吸附剂吸附气体与从溶液中吸附溶质有何不同？（2）试比较弗罗因德利希吸附等温式与兰缪尔吸附等温式的优缺点？（3）如何加快吸附平衡的到达？如何判定平衡已经到达？（4）讨论本实验中引入误差的主要因素？参考文献1 戴维P休梅尔等著 .俞鼎琼 ,廖代伟译.物理化学实验（第四版）M.北京:化学工业出版社,1990.2 傅献彩,沈文霞,姚天扬.物理化学（下册，第五版）M.北京: 高等教育出版社,2005.（编写：杨朝霞 校核：刘文萍）
