From Wikipedia, the free encyclopedia
Scratches, represented by triangular-shaped grooves, make the surface area greater.
Specific surface area (SSA) is a property of solids defined as the total surface area of a material per unit of mass,[1] (with units of m2/kg or m2/g) or solid or bulk volume[2][3] (units of m2/m3 or m−1).
It is a physical value that can be used to determine the type and properties of a material (e.g. soil or snow). It has a particular importance for adsorption, heterogeneous catalysis, and reactions on surfaces.
Measurement[edit]
…and plastic Białecki rings of increased SSA
Values obtained for specific surface area depend on the method of measurement. In adsorption based methods, the size of the adsorbate molecule (the probe molecule), the exposed crystallographic planes at the surface and measurement temperature all affect the obtained specific surface area.[4] For this reason, in addition to the most commonly used Brunauer–Emmett–Teller (N2-BET) adsorption method, several techniques have been developed to measure the specific surface area of particulate materials at ambient temperatures and at controllable scales, including methylene blue (MB) staining, ethylene glycol monoethyl ether (EGME) adsorption,[5] electrokinetic analysis of complex-ion adsorption[4] and a Protein Retention (PR) method.[6] A number of international standards exist for the measurement of specific surface area, including ISO standard 9277.[7]
Calculation[edit]
The SSA can be simply calculated from a particle size distribution, making some assumption about the particle shape. This method, however, fails to account for surface associated with the surface texture of the particles.
Adsorption[edit]
The SSA can be measured by adsorption using the BET isotherm. This has the advantage of measuring the surface of fine structures and deep texture on the particles. However, the results can differ markedly depending on the substance adsorbed. The BET theory has inherent limitations but has the advantage to be simple and to yield adequate relative answers when the solids are chemically similar. In relatively rare cases, more complicated models based on thermodynamic approaches, or even quantum chemistry, may be applied to improve the consistency of the results, but at the cost of much more complex calculations requiring advanced knowledge and a good understanding from the operator.[8]
Gas permeability[edit]
This depends upon a relationship between the specific surface area and the resistance to gas-flow of a porous bed of powder. The method is simple and quick, and yields a result that often correlates well with the chemical reactivity of a powder. However, it fails to measure much of the deep surface texture.
| Typical surface area (m2/g) | Material | Application |
|---|---|---|
| 7140 | Metal–organic framework[9] | gas absorption |
| 900 | Faujasite[10] | catalyst |
| 500 — 3000 | activated carbon | gas and solute absorption |
| 200 | alumina[11] | catalyst support |
See also[edit]
- Surface-area-to-volume ratio
References[edit]
- ^ IUPAC, Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the «Gold Book») (1997). Online corrected version: (2006–) «specific surface area». doi:10.1351/goldbook.S05806
- ^ http://www.owlnet.rice.edu/~ceng402/Hirasaki/CHAP3D.pdf[bare URL PDF]
- ^ http://www.rsc.org/suppdata/lc/b8/b812301b/b812301b.pdf[bare URL PDF]
- ^ a b Hanaor, D.A.H.; Ghadiri, M.; Chrzanowski, W.; Gan, Y. (2014). «Scalable Surface Area Characterization by Electrokinetic Analysis of Complex Anion Adsorption» (PDF). Langmuir. 30 (50): 15143–15152. arXiv:2106.03411. doi:10.1021/la503581e. PMID 25495551. S2CID 4697498.
- ^ Cerato, A.; Lutenegger, A. (1 September 2002). «Determination of surface area of fine-grained soils by the ethylene glycol monoethyl ether (EGME) method». Geotechnical Testing Journal. 25 (3): 10035. doi:10.1520/GTJ11087J.
- ^ Paykov, O.; Hawley, H. (1 July 2013). «A Protein-Retention Method for Specific Surface Area Determination in Swelling Clays». Geotechnical Testing Journal. ASTM. 36 (4): 20120197. doi:10.1520/GTJ20120197.
- ^ «ISO 9277:2010(en) Determination of the specific surface area of solids by gas adsorption — BET method».
- ^ Condon, James (2020). Surface Area and Porosity Determinations by Physisorption, 2nd edition. Amsterdam, NL: Elsevier. pp. Chapters 3, 4 and 5. ISBN 978-0-12-818785-2.
- ^ Hönicke, Ines M.; Senkovska, Irena; Bon, Volodymyr; Baburin, Igor A.; Bönisch, Nadine; Raschke, Silvia; Evans, Jack D.; Kaskel, Stefan (2018). «Balancing Mechanical Stability and Ultrahigh Porosity in Crystalline Framework Materials». Angewandte Chemie International Edition. 57 (42): 13780–13783. doi:10.1002/anie.201808240. PMID 30160076. S2CID 52119126.
- ^ Galarneau, Anne; Mehlhorn, Dirk; Guenneau, Flavien; Coasne, Benoit; Villemot, Francois; Minoux, Delphine; Aquino, Cindy; Dath, Jean-Pierre (2018). «Specific Surface Area Determination for Microporous/Mesoporous Materials: The Case of Mesoporous FAU-Y Zeolites» (PDF). Langmuir. 34 (47): 14134–14142. doi:10.1021/acs.langmuir.8b02144. PMID 30379547. S2CID 53197261. hal-01938089.
- ^ Russell, Allen S.; Cochran, C. Norman (1950). «Alumina Surface Area Measurements». Industrial & Engineering Chemistry. 42 (7): 1332–1335. doi:10.1021/ie50487a024.
порошкообразного
материала
Существует несколько
методов нахождения площади удельной
поверхности, один из них – с помощью
прибора Л.С.Соминского и Г.С.Ходакова
(ПСХ-2). Принцип действия прибора основан
на зависимости воздухопроницаемости
слоя порошка от размеров частиц.
Схематически прибор показан на рис. 1.
Кювета для укладки слоя испытуемого
порошкообразного материала – металлическая
цилиндрическая камера диаметром 25±0,03
мм. Ее разделяет перегородка с отверстиями
для прохождения воздуха, на штуцер внизу
кюветы надета гибкая резиновая трубка,
соединяющая кювету с манометрической
системой. Для уплотнения слоя порошка
и измерения его толщины в кювету вставляют
плунжер – металлический цилиндр с
внутренним каналом и дном с отверстиями.
Верхняя часть цилиндра оканчивается
упорным диском, к которому прикреплена
планка с измерителем. Плунжер вводят в
кювету так, чтобы при его перемещении
планка двигалась вдоль миллиметровой
шкалы, нанесенной на поверхность кюветы,
что дает возможность измерять толщину
слоя засыпанного материала с точностью
до 1 мм. Зазор между плунжером и кюветой
составляет 0,15 мм. Резиновая груша с
клапаном служит для создания разрежения
в кювете под слоем порошка.
Манометрическая
система представляет собой стеклянную
бюретку, имеющую два колена: одно –
короткое и широкое, сообщающееся с
атмосферой, другое – длинное с расширенным
резервуаром в верхней части. Длинное
колено бюретки герметично соединено
двумя стеклянными отростками с одной
стороны через резиновый шланг с
металлической кюветой, с другой –
стеклянным краном с резиновой грушей.
Бюретка заполняется подкрашенной водой,
с помощью которой регистрируется
изменение степени разряжения под слоем
материала в ходе измерения. Падение
столба жидкости в длинном колене бюретки
происходит в результате прохождения
атмосферного воздуха через слой
исследуемого материала и уменьшения
разряжения в манометрической системе.
В зависимости от размера частиц порошка
он оказывает большее или меньшее
сопротивление прохождению воздуха.
Измеряя скорость падения столба жидкости,
можно определить площадь удельной
поверхности материала, поскольку
последняя находится в обратной зависимости
от этой скорости.
Проверка герметичности
прибора. Для этого надо закрыть кювету
сверху резиновой пробкой, открыть кран
и создать разряжение в измерительной
системе с помощью резиновой груши,
нажимая ее и отпуская. После этого
необходимо закрыть кран. Снижение уровня
не должно быть более 2 мм, в противном
случае нужно найти причину утечки и
устранить неисправность.
Оборудование и
материалы: прибор ПСХ-2, шкаф сушильный
с терморегулятором, весы технические,
секундомер, бумага фильтровальная,
эксикатор.
Порядок выполнения
работы и обработка результатов.
Вырезать из
фильтровальной бумаги кружки диаметром
25 мм (для одного измерения необходимо
вырезать 2 кружка). Ватным тампоном
протереть внутреннюю поверхность
кюветы. На дно кюветы положить один
кружок фильтровальной бумаги. Высушить
материал при температуре 105±5оС,
охладить до комнатной температуры и
взвесить с точностью до 0,01 г пробу
массой, определяемой по формуле
,
где ρист.– истинная плотность порошкообразного
материала, г/см3.
Высыпать на кружок
фильтровальной бумаги навеску материала.
Легким постукиванием разровнять слой,
затем покрыть сверху вторым кружком
фильтровальной бумаги и уплотнить
поршнем (плунжером) при равномерном
нажатии на него рукой.
Измерить высоту
слоя испытуемого порошкообразного
материала.
Удалить поршень
из кюветы, открыть кран и при помощи
резиновой груши создать разряжение под
слоем испытуемого материала. Это
разряжение должно быть таким, чтобы
жидкость в манометре поднялась примерно
до уровня верхней колбы манометра.
Закрыть кран и
измерить с помощью секундомера время
Т(в секундах) прохождения мениска
жидкости в манометре между двумя рисками
на шкале (при быстром снижении столба
жидкости между рисками 3-4, при медленном
– между рисками 1-2).
Измерить температуру
воздуха в помещении, где проводится
испытание с помощью термометра.
По измеренным
значениям высоты слоя (L)
и температуре воздуха (t)
найти в таблице 2 значение величиныМ.
По измеренному
времени Т(сек) найти значение корня
квадратного изТ(
).
Вычислить удельную поверхность по
формуле:
,
где К–
постоянная прибора для той пары рисок,
между которыми наблюдалось снижение
столба жидкости за времяТ(значениеКуказывается в паспорте прибора);m
– масса навески материала, г.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
4. Дисперсность. Удельная поверхность дисперсных систем, методы ее измерения
Основная характеристика дисперсных систем — размеры частиц, или дисперсность. Дисперсные системы делят на грубодисперсные (низкодисперсные) и тонкодисперсные (высокодисперсные), или коллоидные системы (коллоиды). В грубодисперсных системах частицы имеют размер от 10–4 см и выше, в коллоидных — от 10–4 до 10–5 — 10–7 см. Дисперсность определяется по трем измерениям тела, либо характеризуется величиной, обратной минимальному размеру и названной дисперсностью, либо через удельную площадь поверхности Sуд (отношение межфазной поверхности к объему тела). Количественной характеристикой дисперсности (раздробленности) вещества является степень дисперсности (степень раздробленности D) — величина, обратная размеру дисперсных частиц а: D = 1/a, где а равно диаметру сферических или волокнистых частиц, или длине ребра кубических частиц, или толщине пленок. Все частицы дисперсной фазы имеют одинаковые размеры — монодисперсная система. Частицы дисперсной фазы неодинакового размера — полидисперсная система. Соотношение между поверхностью и объемом характеризует удельная поверхность:
Sуд = S / V.
Для частиц сферической формы она равна:
Sуд = 4 πr2 / (4 / 3 πr) = 3 / r = 6 / d.
Для частиц кубической формы —
Sуд = 6l2 / l3 = 6 / l,
где r — радиус шара; d — его диаметр; l — длина ребра куба.
Дисперсность D связана с удельной поверхностью Sуд:
Sуд = S / V = k / d = kD,
где V — объем дисперсной фазы, мл.
Для сферических частиц уравнение принимает вид:
k — коэффициент формы частиц; d — диаметр частицы, м2.
Формула для расчета удельной поверхности (Sуд) системы с шарообразными частицами:
где n — число частиц, м3; S0 — поверхность каждой частицы.
где n1 — число частиц, кг; r — плотность вещества, г/см3.
Корреляционная спектроскопия рассеянного света: в определенном оптическом объеме V0, подсчитывают число частиц n. Зная концентрацию частиц С и n, находят объем частицы 
: = С / (vd),
где d — плотность дисперсной фазы.
Зная объем, можно вычислить радиус частиц:
Зная радиус частиц, можно вычислить удельную поверхность Sуд.
Удельная поверхность — усреднённая характеристика размеров внутренних полостей (каналов, пор) пористого тела или частиц раздробленной фазы дисперсной системы.
Содержание
- 1 Выражение удельной поверхности
- 2 Значение удельной поверхности
- 3 Определение удельной поверхности
- 4 Ссылки
Выражение удельной поверхности
Удельную поверхность выражают отношением общей поверхности пористого или диспергированного в данной среде тела к его объёму или массе. Удельная поверхность пропорциональна дисперсности или, что то же, обратно пропорциональна размеру частиц дисперсной фазы.
Значение удельной поверхности
От величины удельной поверхности зависят поглотительная способность адсорбентов, эффективность твёрдых катализаторов, свойства фильтрующих материалов. Удельная поверхность активных углей составляет 500—1500, силикагелей — до 800, макропористых ионообменных смол — не более 70, а диатомитовых носителей для газожидкостной хроматографии — менее 10 м2/г. Удельная поверхность характеризует дисперсность порошкообразных материалов: минеральных вяжущих веществ, наполнителей, пигментов, пылевидного топлива и др. Величина их удельной поверхности обычно находится в пределах от десятых долей до нескольких десятков м2/г. Измеряемая величина удельной поверхности зависит от размеров сорбируемых молекул. Одно и то же вещество при сорбции крупных молекул имеет меньшую удельную поверхность, при сорбции мелких молекул имеет большую удельную поверхность. Для крупных молекул поверхность мелких пор, измеренная сорбцией мелких молекул, как бы и не существует. Поэтому, кроме удельной поверхности, важной характеристикой пористых тел является распределение поверхности пор по радиусам пор (распределение пор по радиусам).
Определение удельной поверхности
Удельную поверхность чаще всего определяют по количеству адсорбированного материалом инертного газа и по воздухопроницаемости слоя порошка или пористого материала. Адсорбционные методы позволяют получать наиболее достоверные данные.
Для определения удельной поверхности и распределения пор по радиусам пористых тел по теории БЭТ методом сорбции азота при температуре жидкого азота итальянская фирма Карло Эрба выпускала прибор «Сорптоматик» (время измерения — приблизительно один образец в сутки).
Ссылки
- Теория Брунауэра, Эммета, Теллера (БЭТ)
- Теория Дубинина
- http://colloid.distant.ru/tests/3.2.2/3.2.2.htm 3.2.2. Теория полимолекулярной адсорбции БЭТ
- http://window.edu.ru/window_catalog/pdf2txt?p_id=7705&p_page=5 9. Теория полимолекулярной адсорбции БЭТ
- http://www.chemport.ru/chemical_encyclopedia_article_35.html Адсорбция
- http://e-science.ru/index/?id=43 Адсорбция
- http://www.ximicat.com/ebook.php?file=vojutsky_kol.djv&page=33 Курс коллоидной химии
- http://www.muctr.ru/univsubs/infacol/fen/faculties/f5/courses/1.php Поверхностные явления и дисперсные системы
- http://www.polymem.ru/research03.php Теория кооперативной полимолекулярной сорбции
- http://chem.kstu.ru/butlerov_comm/vol2/cd-a3/data/jchem&cs/russian/n6/appl6/yal2001/1sdms33/1sdms33.htm Физическая адекватность уравнений сорбционного равновесия в набухающих полимерных системах.
- http://www.france-scientifique.fr/fileadmin/user_files/manuals/Manuel_SORPTOMATIC_1990_EN.pdf Sorptomatic 1990 Insruction Manual
- http://www.prager-elektronik.at/datenblaetter/porotec/SORPTOMATIC.pdf Sorptomatic Product
Specifications