Полное описание кислотных (основных) центров твердого тела предполагает определение их силы, концентрации (числа) и типа.

Сила кислотных центров характеризует способность среды отдавать протон или определяется способностью поверхности переводить адсорбированные молекулы основания из нейтральной в сопряженную кислотную форму.

Концентрация кислотных центров измеряется количеством основания, реагирующего с твердой кислотой, и выражается числом (или в молях) на единицу веса или единицу удельной поверхности адсорбента. Тип кислотно-основных центров (КОЦ) зависит от природы поверхности, ее биографии, обработки, способа хранения. Как уже указывалось, различают бренстедовские (протонодонорные и протоноакцепторные) и льюисовские (электродонорные и электроакцепторные) КОЦ.

Все методы определения кислотности и основности поверхности можно разделить на три большие группы.

Первая группа включает в себя методы, основанные на ионном обмене и адсорбции из водных сред. Суспендированный в воде адсорбент или катализатор титруют основанием (для определения кислотности) или кислотой (для определения основности). При катионообменной адсорбции щелочи протон поверхности замещается на ионы щелочного металла (Li⁺, Na⁺, K⁺). Точку конца титрования определяют либо с помощью индикатора, либо потенциометрически. Таким путем определяют число кислотных центров. Силу кислотных центров можно определить, изменяя рН среды при ионном обмене: так, в растворе солей щелочных металлов (NaCl, CH₃COONa) только сильно кислотный водород поверхности обменивается на Na⁺; под действием щелочи (NaOH) обмену подвергается и слабокислый водород поверхностных ОН-групп.

Внутри этой группы различают такие способы:

1. Обменная адсорбция из водных растворов солей.

2. Титрование водных растворов (потенциометрическое и кондуктометрическое).

Эти методы основаны на представлении, что кислотные свойства поверхности определяются подвижностью водорода поверхностных ОН-групп, характеризуемой способностью обмениваться на другие ионы.

Для определения концентрации центров водную суспензию адсорбента или катализатора титруют растворами солей или щелочей. Концентрацию центров определяют потенциометрическим или кондуктометрическим титрованием, а их силу характеризует рН раствора (суспензии). Однако вода не является инертной средой, и при адсорбции молекул воды на льюисовских центрах возникают дополнительные БКИ, отсутствовавшие в исходном твердом теле. Это необходимо помнить, при использовании данного метода для сравнения кислотно-основных свойств поверхности адсорбентов и катализаторов и их активностью в адсорбционных, каталитических и других процессах, протекающих в отсутствии воды.

3. Адсорбция индикаторов Гаммета из водной среды.

Вторая группа методов основана на адсорбции на поверхности твердых тел слабых оснований или кислот из неводных сред. При этом суспензию образца в выбранном растворителе титруют для выявления точки эквивалентности, чтобы определить количество кислотных центров, либо проводят адсорбцию цветных индикаторов Гаммета для определения силы центров.

В этой группе различают:

1. Титрование поверхности слабым основанием (кислотой) в неводных средах.

2. Адсорбцию индикаторов Гаммета из неводных сред.

Третья группа методов — адсорбция кислот и оснований из газовой фазы. По количеству адсорбированного основания или кислоты судят о количестве центров на поверхности, а по прочности связи с поверхностью — об их силе. Адсорбция проводится в вакууме или при обычном давлении, в потоке или в статическом режиме; можно использовать и импульсную методику. В качестве адсорбатов применяют пиридин, хинолин, аммиак для определения кислотности; фенол, оксид углерода (IV) для определения основности. Сочетая эти методы с ИК-спектроскопией, можно различать льюисовские и бренстедовские центры. В этой группе используют следующие экспериментальные методы:

1. Вакуумный (объемный или весовой) метод.

2. Метод термопрограммированной десорбции.

3. Импульсный хроматографический метод.

Применяемые методы исследования кислотно-основных характеристик твердого тела можно классифицировать иначе, разделив их на физические и адсорбционно-химические. К физическим методам относятся спектроскопические (ИК-, УФ- и видимая спектроскопия), ЯМР, ЭПР, дающие информацию о поверхностных состояниях в широкой области энергий; к этой же группе методов можно отнести методы термопрограммированной десорбции, позволяющие определить энергии связи адсорбированных на поверхности частиц. Адсорбционно-химические — это методы, основанные на адсорбции на границах раздела газ — твердое тело или раствор — твердое тело.

Независимо от характера классификации можно сформулировать требования, предъявляемые к методам для надежной оценки кислотно-основных свойств поверхности

— надежно идентифицировать взаимодействие молекул-зондов с протонными и апротонными центрами;

— в определенной шкале численно характеризовать силу отдельных центров;

— быть пригодными для независимого нахождения каждого типа поверхностных центров.

Перед экспериментаторами, в зависимости от задач исследования и имеющихся возможностей, стоит проблема выбора методики изучения кислотно-основных свойств поверхности твердого тела для определения интегральной кислотности, получения распределения активных центров по кислотной силе, оценки их содержания, идентификации и дифференциации по принадлежности к апротонному или протонному типу и, наконец, соотнесения со структурно-механическими параметрами соответствующих функционалов. Каждая из задач может быть решена с привлечением комплекса методов. В справедливости этого убеждают результаты исследований, полученные, например, в диссертационных работах [9-15], выполненных на кафедре физической и коллоидной химии ТГУ.