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T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：T=二=ker(1)m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-；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：Igr =Ig= = |1gc +Igk(2)mn以lgr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I，但这时（1）式可能已不适用。一般股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，即吸附剂一且被吸附质占据之后，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T可用下式表示：=ro,ck(3)1+ck厂为饱和吸附量，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
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 Г 表示之。Г 通常指每克吸附剂吸附溶质的物质的量， 在恒定温度下，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： n kc m x 1 (1) 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 mol·L-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： lgГ = lg m x ＝ n 1 lgc +lgk (2) 以 lgГ 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 Г，但这时（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 Г 可用下式表示： ck ck 1 (3) Г∞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：c1+1(4)rrkr以c/r对c作图，得一直线，由这一直线的斜率可求得F。，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。根据工。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S。可按下式计算得到：Ss =Ig×N。×ag = I×6.02×10* ×0.243(5)1018式中So为比表面，即每克吸附剂具有的总表面积(m2/g)；No为阿佛加德罗常数(6.02×1023分子/摩尔)；αc为每个吸附分子的横截面积；1018是因为1m2=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、10mL)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（0.1molL-)，醋酸标准溶液（0.4mol·L-），活性炭，酚酰指示剂。四、实验步骤（1）准备6个干的编好号的125mL锥形瓶（带塞）。按记录表格中所规定的浓度配制50mL醋酸溶液，注意随时盖好瓶塞，以防醋酸挥发。（2）将120C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
将(3)式重新整理可得： c = k 1 + 1 c (4) 以c 对 c 作图，得一直线，由这一直线的斜率可求得 Г∞，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 Г∞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： 18 23 0 0 10 6.0210 0.243 S N a (5) 式中 S0为比表面，即每克吸附剂具有的总表面积(m2 /g)；N0为阿佛加德罗常数(6.02×1023 分子/摩尔)；α∞为每个吸附分子的横截面积；1018 是因为 1m2=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（0.1mol·L-1），醋酸标准溶液（0.4 mol·L-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0.1molL-1标准碱溶液滴定。（4）活性炭吸附醋酸是可逆吸附。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CO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co，按公式：「=(c。-c)V/m计算吸附量，式中V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lgr对1gc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c/T，作c/F-c图，由图求得，将T值用虚线作一水平线在F-c图上。这一虚线即是吸附量工的渐近线。（6）由I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213456502515427.50.4MHAc(mL)0354648水(mL)2542.5活性炭量m(g)醋酸初浓度co(mol/L)51025252525滴定时取样量(mL)滴定耗碱量(mL)醋酸平衡浓度c(mol/L)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
应过滤，弃去最初 10mL 滤液。按记录表规定的体积取样，用 0.1 mol·L-1 标准碱溶液滴 定。 （4）活性炭吸附醋酸是可逆吸附。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： c0 cV m 计算吸附量，式中 V 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 Г 对平衡浓度 c 的等温线。 （4）以 lgГ 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c ，作c - c 图，由图求得 Г∞，将 Г∞值用虚线作一水平线在 Г- c 图上。 这一虚线即是吸附量 Г 的渐近线。 （6）由 Г∞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 6 0.4MHAc(mL) 50 25 15 7.5 4 2 水(mL) 0 25 35 42.5 46 48 活性炭量 m(g) 醋酸初浓度 c0(mol/L) 滴定时取样量(mL) 5 10 25 25 25 25 滴定耗碱量(mL) 醋酸平衡浓度 c(mol/L) 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）
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）