Решение задач по химии на тему Анализ пористой структуры на основе адсорбционных данных

Задание 1. По экспериментально полученным данным адсорбции азота при 77К на образце Al2O3 постройте изотерму адсорбции. Проведите ее анализ. Рассчитайте удельную поверхность методом БЭТ. Сделайте вывод о пористой структуре исследуемого образца.
Решение:
На рисунке 1 представлена изотерма адсорбции.

Рис. 1 Изотерма адсорбции азота на образце Al2O3 при 77 K
Как видно из рис.1, изотерма представляет собой S-образную кривую, соответствуюшую случаю полимолекулярной адсорбции. Согласно классификации Брунауэра (или классификация по БДДТ) данная изотерма соответствует IV типу, поскольку наблюдается несовпадение кривых адсорбции и десорбции, что свидетельствует о наличие мезопор. Несовпадение изотерм адсорбции и десорбции в области относительных давлений от 0,5 до 0,96 свидетельствует о капиллярной конденсации. При этом тип петли гистерезиса можно отнести к Н4, который наблюдается в материалах, содержащих щелевидные поры. Наличие петли H4 также указывает на наличие микропор в исследуемом материале.
Для определения удельной поверхности по БЭТ представим экспериментальные данные в координатах линейной формы уравнения БЭТ, используя экспериментальные точки, соответствующие пределам применимости данного уравнения. Исходные данные и результаты расчетов приведены в табл. 1
Таблица 1
Данные для построения зависимости в координатах линейной формы уравнения БЭТ
p/ps 0,058 0,068 0,088 0,097 0,117 0,126 0,155 0,184 0,212 0,241 0,271 0,3
A, ммоль/г 0,563 0,581 0,614 0,628 0,658 0,67 0,709 0,746 0,783 0,82 0,857 0,894
("p" /"p" _"s" )/("A(1-" "p" /"p" _"s" ")" )
г/моль 109,4 125,6 157,2 171,1 201,4 215,2 258,7 302,3 343,6 387,2 433,8 479,4

При меньших относительных давлениях оказывает влияние энергетическая неоднородность поверхности адсорбента, при больших – начинает проявлять себя взаимодействие соседних молекул адсорбата между собой в пределах одного слоя. Оба фактора приводят к нарушению положений теории БЭТ и, следовательно, отклонению от линейности
На рис. 2 представлен график построенный на основании рассчитанных значений.

Рис. 2 Изотерма адсорбции азота на образце Al2O3 при 77 K в координатах линейной формы уравнения БЭТ
Из графика находим:
"1" /("A" _"∞" "C" ) "=23 г/моль"
"С-1" /("A" _"∞" "C" ) "=1517,3 г/моль"
Отсюда рассчитываем величину A_∞= 0,000659 моль/г и значение удельной поверхности:
"S" _"уд" "=" "A" _"∞" "∙" "N" _"A" "∙ω=0,000659 моль/г ∙6,02∙" 〖"10" 〗^"23" "∙0,162∙" 〖"10" 〗^"-18" "м" ^"2" "=64,27 " "м" ^"2" "/г "
 
Задание 2. Рассчитайте и постройте интегральные и дифференциальные кривые распределения объема и поверхности мезопор по размерам, используя метод Пирса. Определите общий объем и поверхность мезопор. Молярный объем азота примите равным 34,6 10-6 м3/моль, поверхностное натяжение σ = 8,72 мДж/м2. Для расчета зависимости t = f(P/Ps) используйте уравнение Гаркинса-Юра.
Решение:
В таблице 2 приведены результаты расчёта для щелевых пор, необходимые для построения кривых распределения пор для образца Al2O3 при 77 K. На основании этих данных построены интегральные и дифференциальные кривые распределения объёма пор (рис. 3 и 4) и поверхности пор (рис. 5 и 6) по размерам