طرق قياس السطح المحدد

يمكن أن يكون للطرق المختلفة لقياس السطح المحدد للجسيمات أو المسامية تأثير مهم على القيم المقاسة.

أنواع تقنيات قياس السطح المحدد

هناك تقنيات مختلفة لقياس المساحة السطحية المحددة للمواد الصلبة. ندرس هذه الأساليب في شكل 5 فئات:

يمتلك امتصاص الغاز (أي کثافة الجزيئات على سطح الحبیبات أو المسامیة المترابطة) القدرة على تحديد مساحة السطح المحددة من العلاقة بين الضغط المطبق وحجم الغاز المدخل في العينة (يتم تضمين بخار الماء في هذه المجموعة ).

امتصاص الجزيئات من المحلول على سطح صلب، وخاصة الأصباغ مثل أزرق الميثيلين.

قياس الخواص الديناميكا الحرارية المعروفة (مثل حرارة غمر المسحوق في سائل)

قياس سرعة ذوبان المواد القابلة للذوبان

الطرق المجهرية مثل  SEM و انبعاث أنماط حيود الأشعة السينية

يمكن العثور على تفاصيل تقنيات القياس هذه في Adamson (1990). في بقية هذه المقالة، يتم وصف تقنيات امتصاص الغاز وامتصاص أزرق الميثيلين بالتفصيل، بما في ذلك النظريات الأساسية التي تدعم هاتين الطريقتين وطرق التنفيذ.

قياس امتصاص الغاز

تعد نظرية امتصاص الغاز لBrunauer ، Emmett و Teller ، أو نظرية امتصاص الغاز BET باختصار، أساس قياس السطح في المواد ذات المساحة السطحية العالية المحددة. في عام 1938، حصل بروناور وآخرون على Isotherm لامتصاص طبقات الغاز متعددة الجزيئات على مادة ماصة صلبة مشابهة لمشتق Langmuir لطبقة أحادية الجزيئي. تُظهر معادلات BET الشكل العام ل Isotherms تجريبية حقيقية، ومن هذه Isotherms ، يمكن حساب حجم الغاز المطلوب لتكوين طبقة أحادية الجزيئية من الغاز على الممتزات (absorbers). ويتم تحديد المستوى باستخدام العلاقة التالية:

قياس امتصاص الغاز

في العلاقة المذكورة أعلاه، P هو الضغط المطبق، Po هو ضغط التشبع (بالقرب من الضغط الجوي لغاز النيتروجين عند 75 كلفن)، Vads هو حجم الغاز الممتص عند P/Po، Vm هو حجم المادة الممتصة التي تساوي طبقة أحادية تغطي الأغطية السطحية، و c تتعلق بامتصاص الحرارة في بداية واستمرار الطبقات الممتصة. رسوم بیانیة P/[Vads (Po-P)] من حيث P/Po تعطي خطًا مستقیماً يمكن استخدام ميله لتحديد Vm وc. كما هي المساحة السطحية للعينة والتي يتم الحصول عليها من خلال العلاقة التالية:

معادلات BET

في العلاقة المذكورة أعلاه، Vmolecule هو حجم الجزيء الممتص على السطح و Amolecule هو مساحة المقطع العرضي (cross-sectional)  للجزيء الممتص.

قياس امتصاص أزرق الميثيلين

تم استخدام أصباغ أزرق  الميثيلين  لعقود من الزمن لتحديد المساحة السطحية المحددة لجزيئات المعادن الطينية. الصيغة الكيميائية لأزرق الميثيلين هي C16H18ClN3S والوزن الجزيئي لهذا المركب هو 319 جم/مول. أزرق الميثيلين في شكل محلول مائي هو صبغة كاتيونية ويأتي في شكل C16H18N3S +، الذي لديه القدرة على إنشاء رابطة كهروستاتيكية مع الأسطح المشحونة سالبة (الجزيئات المعدنية الطينية لها شحنة سطحية سالبة).

بالإضافة إلى ذلك، يمكن الكشف عن المساحة السطحية المحددة للجزيئات من خلال كمية أزرق الميثيلين الممتصة على سطح الجزيئات. عادة ما يكون سطح الجسيمات مغطى بطبقة من جزيئات أزرق الميثيلين ، والتي يفترض عادة أن مساحتها السطحية تبلغ 130 أنجستروم مربع (كل أنجستروم يساوي 0.1 نانومتر). ومن المهم أن نلاحظ أن هذه التقنية يمكن استخدامها للمعلقات المائية؛ وبنفس الطريقة، يمكن للمعادن المتوسعة أن تكشف السطح المتاح بأكمله.

مقارنة طريقة امتصاص أزرق الميثيلين وامتصاص الغاز

تتضمن الطريقتان لقياس مساحة سطح معينة الموصوفة في هذه المقالة امتصاص مادة ممتصة على سطح الجسيم أو السطح الداخلي للمسامیة. تتضمن تقنية أزرق الميثيلين طاقة ربط عالية (امتصاص كولومبي أيوني – امتصاص كيميائي) وتقتصر عمومًا على طبقة واحدة. في طريقة امتصاص الغاز، تنجذب جزيئات الغاز إلى السطح بواسطة قوى فان دير فالس (Van der Waals force) (الجذب الفيزيائي) وقد تتشكل طبقات متعددة. تم أخذ الامتصاص متعدد الطبقات في الاعتبار في نظرية BET المستخدمة لتحليل النتائج التجريبية.

تُظهر طريقة امتصاص أزرق الميثيلين قيمًا أعلى لمساحة سطحية محددة في المعادن المنتفخة (المواد الطينية) لأنه يمكن الحصول على الأسطح البينية بعد الجفاف بواسطة الأيونات القابلة للتبديل. ومع ذلك، بالنسبة للمعادن الطينية غير المنتفخة مثل الكاولينيت (Kaolinite)، لا يوجد فرق كبير في مساحة السطح المحددة التي تحددها طرق القياس الجافة أو الرطبة. ويرد في الجدول 1 رسم تخطيطي ومقارنة بين الطريقتين.

الجدول 1: مقارنة طريقة BET (البيئة الجافة) وامتصاص أزرق الميثيلين (البيئة المائية) لقياس السطح المحدد للمادة المعدنیة مثل الطين.

مقارنة طريقة BET (البيئة الجافة) وامتصاص أزرق الميثيلين (البيئة المائية) لقياس السطح المحدد للمادة المعدنیة مثل الطين