固体催化剂表面酸碱性测定

固体催化剂表面酸碱性测定--吸附指示剂滴定法固体酸（碱）催化剂表面中心的酸（碱）性质会直接决定催化剂的催化性能,因此,在研究固体酸（碱）催化剂的作用原理、改进现有的固体酸（碱）催化剂、研制新型酸(碱)催化材料和研究催化剂酸（碱）位的性质、来源及结构等方面,都离不开对表面酸（碱）性的表征。科学工作者在固体催化剂表面酸碱性质表征领域做了大量系统研究，建立了许多测定方法，如吸附指示剂滴定法、程序升温热脱附法、红外光谱法、吸附微量热法、热分析方法和核磁共振谱等。其中，操作简便的吸附指示剂滴定法得到广泛应用。本文阐述吸附指示剂滴定法操作体系。1固体酸表面酸性测定—吸附指示剂胺滴定法早在50年代初，Walling提出利用吸附在固体酸表面的Hammett指示剂的变色的方法来测定固体表面酸的酸强度；Tamele用对二甲氨基偶氮苯为指示剂，以正丁胺滴定悬浮在苯溶剂中的固体酸来测定酸量。随后Benesi做了重大的改进，先让催化剂样品分别与不同滴定度的正丁胺达到吸附平衡，再采用一系列不同pKa值的Hammett指示剂来确定等当点。这样就可以用比较短的时间测得酸强度分布，形成了一个测定固体表面酸酸强度分布的吸附指示剂正丁胺滴定法，又称非水溶液胺滴定法。由于操作比较简便，指示剂法广泛被采用。但是这个方法从理论依据到试验操作都有不少缺陷，如到达吸附平衡耗时长等；几十年来，这个方法有了一些改进，包括使用超声波振荡器加快吸附平衡的到达，选用硝基取代苯类具更弱碱性的化合物作为指示剂测超强固体酸酸性，针对不同的样品体系选用合适的滴定用有机胺和溶剂等。1.1基本原理1.1.1酸强度：酸强度是指给出质子(B酸)或是接受电子对(L酸)的能力。不同的测定方法采用不同的物理化学参数来表征。指示剂法用Hammett酸度函数Ho表示，Ho有明确的化学概念，使用广泛。Hammett酸度函数Ho将固体表面酸的酸强度定义为：固体表面的酸中心使吸附其上的中性(不带电的)碱指示剂（以B表示）转变为它的共轭酸的能力。指示剂B本身呈碱型(或中性)色，接受一个质子后转变成其共轭酸BH+，呈酸型色。指示剂碱性的强度用其共轭酸BH+的离解常数的负对数pKa来表示。指示剂碱与其共轭酸存在以下平衡：BHBH(1)此平衡常数也是共轭酸BH+的离解常数：aBBBHHBHBHBHaafcaKafc(2)式中，a为活度；f为活度系数；c为浓度。(2)式两边取负对数，并整理得到：aploglogBBHBHBHafcKcf(3)其中，aaplogKK当指示剂加到酸溶液中，建立新的平衡，(1)式到(3)式的关系仍成立。酸溶液使指示剂质子化的程度可通过测定酸型与碱型的浓度比BHc/Bc来鉴定。对给定指示剂，pKa是定值，BHc/Bc的数值就由(3)式中最后一项来决定。于是定义：logBHoBHafHf（4）则有：aplogBHoBcHKc(5)从(5)式可见，Ho愈小，则BHc/Bc愈大，即酸溶液使指示剂B质子化成BH+的程度愈高，酸性愈强。所以称Ho为酸度函数，是表征溶液酸强度的对数标度。将Ho推广应用到固体表面酸，这时，假设指示剂吸附到固体酸表面并达到吸附平衡，其平衡时表面的质子酸位(H+)与指示剂(B)反应的关系仍符合(1)式到(5)式。当固体表面酸与给定pKa值的指示剂作用后，可能有三种情况：(1)固体酸表面呈酸型色，这说明BHcBc，称固体酸的酸度函数HopKa；(2)呈过渡色，则BHc≈Bc,Ho=pKa；(3)呈碱型色，则BHc＜Bc，Ho＞pKa。表1用于测表面酸性的Hammett指示剂指示剂颜色pKa碱型酸型中性红黄红+6.8甲基红黄红+4.8苯偶氮基萘胺黄红+4.0对-二甲氨基偶氮苯（二甲黄）黄红+3.32-氨基-5-偶氮甲苯黄红+2.0苯偶氮二苯胺棕黄紫+1.54-二甲基胺偶氮-1-萘黄红+1.2结晶紫蓝黄+0.8对-硝基苯偶氮-(对′-硝基)-二苯胺橙紫+0.43二苯基壬四烯酮橙黄砖红-3.0亚苄基乙酰苯无黄-5.6蒽醌无黄-8.22,4,6-三硝基苯胺无黄-10.10对-硝基甲苯无黄-11.35间-硝基甲苯无黄-11.99对-硝基氟苯无黄-12.44对-硝基氯苯无黄-12.70间-硝基氯苯无黄-13.162,4-二硝基甲苯无黄-13.752,4-二硝基氟苯无黄-14.521,3,5-三硝基甲苯无黄-16.04这样，便可用指示剂的pKa值来表示Ho值。指示剂的共轭酸的pKa值愈小，其碱性愈弱，能使其质子化成酸型的固体酸则愈强。于是选用一系列碱性由强到弱，其共轭酸的pKa值由大到小的指示剂与固体酸作用，通过颜色变化便可确定固体酸的酸强度范围。能用作这类碱性指示剂的指示剂物种需满足条件：一是其酸型色与碱型色间有明显的变化；二是酸型与碱型的活度系数之比为一常数，即312123BHBHBHBBBffffff(6)式中B1、B2、B3表示不同的指示剂。所谓Hammett指示剂是指能满足上述要求的指示剂，常用Hammett指示剂见表1。严格来说，酸度函数Ho只能用于表征B酸；虽然L酸也能使某些指示剂变色，但引起变色的酸强度则不一定能用该指示剂的pKa值表示。对于L酸强度，不仅与其内在的接受电子对形成共价键的能力有关，而且受到固有的配位能力和吸附分子空间位阻的强烈影响，所以，Ho应用于L酸强度是有一定限度的。1.1.2酸量：固体固体表面酸的酸量一般表示为固体单位重量或单位面积上所含酸中心数或毫摩尔数。按实际需要可用不同的单位，如单位质量或单位表面积样品上酸位的量，记作mmol/g或mmol/cm2（毫摩尔每克或毫摩尔每平方厘米），又如对沸石样品，可用单位晶胞上的酸位数表示。1.1.3酸强度分布：固体表面酸的酸量（酸量随酸强度的分布）通过有机胺滴定法测得：采用已知pKa值的吸附指示剂，以碱强度比指示剂强的有机胺（最常用的是正丁胺，也可按实际需要选用别的胺，如测沸石外表面酸性用三丁基胺等）做滴定剂，对悬浮在惰性溶剂中的固体酸粉末进行滴定；吸附在固体酸表面的指示剂呈酸型色，使指示剂刚刚恢复到过渡型色时的胺的滴定度，即为酸强度Ho小于或等于该指示剂的pKa值的酸量；用具有不同pKa值的指示剂进行滴定可以测定出不同酸强度范围的酸量-酸强度分布。由于胺滴定法中的反应是在两相间进行的，达到反应平衡比较费时，特别是快到等当点时，每加一滴滴定剂都需等待一定时间，要完成一个酸碱滴定相当费时，要测酸量-酸强度分布耗时更多；为此发展了一种称“渐近法”的技术来测定酸强度分布，其原理如下：称取若干份等质量的样品，依次加入滴定度成等差的正丁胺溶液，使各份样品被中和的程度不同，由不足到接近等当点到过量。经充分振荡达到平衡后，再分别取样加入指示剂，检查每份样品分别与各指示剂作用后颜色的变化，确定由不同指示剂滴定得到的等当点。当试验用样品的份数不够多时，各份样品的滴定度间隔较大，得到的等当点是比较粗的；这时，须再按需要称取若干份样品，在初测得到的等当点附近截取适当的滴定度范围，按上述方法再进行滴定，直到测得的等当点范围足够窄为止。与普通的酸碱滴定比，固体表面酸的滴定有以下特点。(1)反应达到平衡比较慢，要多采取措施加快平衡的到达。(2)固体表面酸会含有比较强的酸位需用非常弱的碱性指示剂（如pKa≤-3）进行滴定。这些指示剂的碱性会比H2O(其共轭酸H3O+的pKa=-1.7)弱，H2O的存在会与指示剂发生竞争吸附，中毒酸强度Ho≤-1.7的酸中心而干扰测定结果；所以所用试剂都需脱水干燥，操作过程中应防止样品暴露于大气中。(3)用作滴定剂的正丁胺能与B酸和L酸反应，所测得酸量是两种酸之和。3仪器及实验操作：3.1仪器设备与试剂表2仪器设备名称数量备注超声波发生器1干燥器1用于存贮样品、指示剂等带塞10ml小试管若干至少15支100ml容量瓶2200ml锥形瓶2带塞磨口玻璃瓶若干装指示剂溶液用5m注射器12m注射器11ml注射器120ml移液管110ml移液管125ml滴定管1表3试剂名称级别苯分析纯高氯酸氢钾分析纯正丁胺分析纯冰醋酸分析纯醋酸酐分析纯3.2溶液的配制与标定：3.2.1正丁胺-苯溶液配制与标定以0.01mol/L正丁胺-苯溶液配制与标定为例3.2.1.10.01mol/L高氯酸-冰醋酸溶液配制与标定将50ml冰醋酸加入100ml容量瓶中，接着加入2.2ml马路醋酸酐，摇匀，然后加入0.9ml70%的高氯酸，最后再以冰醋酸稀释至刻度，摇匀，放置数小时后补加冰醋酸至刻度、再次摇匀，放置过夜。所用的苯二甲酸氢钾预先经110-120℃干燥2小时，然后准确称取两份（各约0.04g）分别置于清洁干燥的锥形瓶中，加入4.0ml冰醋酸，微微加热待其全部溶解后，滴加2到3滴0.5%甲基紫指示剂，然后以配制成的高氯酸-冰醋酸溶液滴定，当溶液由紫色变为蓝绿色时即为终点，记下滴定所消耗的高氯酸-冰醋酸溶液的体积读数V1，按下式计算其摩尔浓度chlM：1)1000204.21()chlgMVml苯二甲酸氢钾重量（（10）3.2.1.20.01mol/L正丁胺-苯溶液配制与标定用移液管移取1.0ml比重0.7390-0.7395的正丁胺于100ml容量瓶中，以经过5A分子筛干燥脱水的苯稀释至刻度，混合后放置过夜。准确移取上述已配制成的正丁胺-苯溶液20ml于锥形瓶，用已标定的标准高氯酸-冰醋酸溶液进行标定，并记下滴定消耗的高氯酸-冰醋酸溶液体积读数V2根据下式计算正丁胺-石油醚溶液的摩尔浓度Mbna：220()chlbnaMVMml（11）滴定时务须仔细缓慢，以防白色烟雾喷出影响滴定结果。3.2.30.1%指示剂苯溶液配制称取0.0439g各种Hammett指示剂，以50ml预先经5A分子筛干燥脱水处理的苯溶解后即得各种指示剂溶液。3.3.滴定操作步骤：3.3.1测酸强度：第一步：将待测样品过100目筛(最好过300目以上)并按要求的活化条件进行活化,置保干器冷却到室温。第二步：用活化过的A型分子筛将用做催化剂样品悬浮溶剂的苯进行干燥。第三步：快速称量0.1g样品放进透明无色的小试管中，加入约2ml溶剂覆盖，加入几滴指示剂的苯溶液，摇动，观察样品表面颜色的变化；从pKa值最小的指示剂试验起，按pKa值由小到大的顺序进行试验。若指示剂呈酸型色，则样品的酸度函数Ho等于或低于该指示剂的pKa，这样，其它pKa较大的指示剂不用试了。若呈碱型色，说明样品的酸强度为HopKa，需按pKa顺序试验下一个指示剂，直到能使其呈酸型色，则样品酸强度为Ho≤pKa。例如某固体酸能使1，3，5-三硝基甲苯呈黄色，则此样品为固体超强酸Ho≤-16.04。如某样品不能使亚苄基乙酰苯变色而能使二苯基壬四烯酮呈砖红色，该样品的酸强度记作-5.6Ho≤-3.0。3.3.2正丁胺滴定法测酸量-酸强度分布（1）根据待测样品酸强度可能的范围选择指示剂系列，配制质量分数为0.1%的指示剂苯溶液。（2）待测样品研细过200目筛(最好过320目)，按要求条件活化处理后移入保干器冷至室温。（3）将N个(N约为10，视总酸量大小而增减)带塞10ml试管编号，依次准确称量0.1g样品，快速加入每个试管中，马上加盖(此步严格来说应在干箱内进行)；待试管内都装好样品后，随即用注射器依次分别加入经活化过的分子筛干燥的苯约2ml，注意加完溶剂立即加盖。（4）确定各试管内样品的滴定度：估计样品可能的总酸量，加入过量的正丁胺(例如0.2mmol/g)，定为最大滴定度（每克样品加入正丁胺的毫摩尔数，mmol/g），从0滴定度到最大滴定度中间分成N份(N个小瓶)，使各小瓶内样品的滴定度之间有一增量(如0,0.05,0.10⋯⋯最大滴定度)，根据小瓶中样品质量计算每个小瓶需加入正丁胺溶液的体积V：//mmolggVmlmolL滴定度（）样品质量（）（）正丁胺浓度（）（5）用微量注射器向各编号试管内准确加入计算量的正丁胺溶液，将各装样试管置试管架上放在超声波振荡水浴中合适的位置振荡至反应到达平衡(一般为0