一、實驗目的
(1) 測定多孔物(或粉末態物)比表麵。
(2) 掌握比表麵測定儀的使用方法。
二、實驗原理
固體表麵具有較高的過剩自由能,因此,當氣體分子碰到固體表麵時,會發生吸附作用。據吸附分子與固體表麵分子間的作用力的不同,吸附可分為物理吸附與化學吸附。前者是範德華力,而後者為化學鍵力。顯然化學吸附大都是單分子層的,而物理吸附多數是多分子層的,根據多分子層吸附理論,即BET吸附等溫式,當吸附達到平衡時,有以下關係式:
p/psV(1-p/ps)=1VmC+C-1VmC·pps(1)
式中:p為吸附平衡壓力;ps為吸附平衡溫度下吸附質(即被吸物)的飽和蒸氣壓;p/ps稱為相對壓力;V為在p/ps時的吸附量被換算成標準狀況下的氣體的體積;Vm為吸附質在吸附劑表麵上形成單分子層時的吸附量,也換算成標準狀況下的氣體的體積;C為與吸附熱有關的常數。所以BET公式又稱為二常數公式,二常數是指Vm與C。
由實驗測出不同相對壓力p/ps下對應的吸附量V值,以(p/ps)/V(1-p/ps)為縱坐標,以p/ps為橫坐標作圖,可得一直線,由其斜率和截距可求出Vm:
Vm=1斜率+截距(2)
若已知表麵上每個被吸附分子的截麵積,則可計算吸附劑的比表麵積S:
S=VmNAσ22400W(m2·g-1)(3)
式中:NA為阿伏伽德羅常數;W為吸附劑質量(g);σ為一個吸附質分子的截麵積,N2分子為16.2×10-20m2。
值得注意的是,BET公式僅在相對壓力p/p0為0.05~0.35範圍內適用。更高的相對壓力可能發生毛細管凝結。
色譜法仍以氮為吸附質,以氦氣或氫氣作載氣。氮氣和載氣按一定比例在混合器中混合,使之達到指定的相對壓力,混合後氣體通過熱導池的參考臂,然後通過吸附劑(即樣品管),再到熱導池的測量臂,最後經過流量計再放空(見圖51)。當樣品管置於液氮杯中時(約-195℃),樣品對混合氣中的氮氣發生物理吸附,而載氣不被吸附,這時,記錄紙上出現一個吸附峰(見圖52);當把液氮杯移去,樣品管又回到室溫環境,被吸的氮脫附出來,在記錄上出現與吸附峰方向相反的脫附峰。最後在混合氣中注入已知體積的純氮可得到一個標樣峰(又稱校準峰)。根據標樣峰和脫附峰的麵積可計算出相對壓力下樣品對氮的吸附量。采用脫附峰進行計算的原因是因為它的拖尾通常都沒有吸附峰嚴重。改變氮氣和載氣的混合比,可以測出幾個氮的相對壓下的吸附量。這樣就可以按BET公式計算表麵積。