Адсорбция из раствора на твердом адсорбенте

Адсорбция из раствора на твердом адсорбенте.

Цель занятия:

1. Проводить качественные опыты по адсорбции.

2. Количественно характеризовать зависимость степени адсорбции от концентрации адсорбтива.

3. Обрабатывать результаты опытов, делая обобщения и выводы.

Воспитательная цель:

привить умение пользоваться справочной литературой, аккуратное и экономное отношение к химическим реактивам и посуде.

Значение темы:

Адсорбция в широком смысле этого слова- это процесс самопроизвольного изменения концентрации веществ на поверхности раздела фаз. Гетерогенные системы чрезвычайно широко распространены в природе, промышленности и, естественно, их существованию сопутствуют процессы адсорбции. Так, например, процесс любого гетерогенного катализа начинается с адсорбции субстрата на активных центрах фермента. Это в одинаковой степени относится как к промышленному, так и к ферментативному катализу. Достаточно сказать, что фотосинтез начинается с адсорбции углекислого газа. Адсорбция лежит в основе таких промышленных процессов, как улавливание ценных паров и газов; осветления вин, сахара, глюкозы, фармакологических препаратов, нефтепродуктов; крашение волокон; флотационное обогащение руд, препаративная хроматография.

Трудно переоценить биологическую роль адсорбционных процессов. В качестве примеров можно назвать следующие явления: различная адсорбируемость токсинов, сопровождающая избирательным поражением органов; абсолютная избирательность взаимодействия «антитело-антиген», поражение ядами активных ферментов (например, отравление тяжелыми металлами, цианидами, монооксидами углерода); транспорт белками крови адсорбированных ими витаминов, гормонов, металлов, перенос кислорода гемоглобином, аминокислот эритроцитами и т.д. Действие ряда фармакологических препаратов связано с явлением адсорбции. Это, например, карболен (активированный уголь), применяющийся при отравлениях; гемодез и полиглюкин (кровезаменитель и дезинтоксикационный препарат).

Необходимый исходный уровень знаний и умений студентов.

Студенты должны знать:

1. Второй закон термодинамики и его следствия.

2. Полярные и неполярные группы.

3. Межмолекулярное взаимодействие.

4. Основы метода нейтрализации.

Студенты должны уметь:

1. Определять концентрацию кислоты методом нейтрализации.

2. Производить необходимые расчеты.

3. Делать выводы на основании полученных результатов.

Учебно-целевые вопросы.

1. Поверхностная энергия.

2. Следствие второго начала термодинамики о самопроизвольном уменьшении системой поверхностной энергии.

3. Возникновение поверхностного натяжения.

4. Поверхностно-активные вещества (ПАВ). Моющее действие ПАВ и биологическая роль. Правило Траубе. Закон Гиббса.

5. Адсорбция. Теория адсорбции (Ленгмюра, Поляни, БЭТ).

6. Избирательная и ионообменная адсорбция.

7. Биологическое значение адсорбции и ее практическое применение.

Практическая часть.

Адсорбцией называется изменение концентрации какого-либо вещества в поверхностном слое по сравнению с объемной фазой, отнесенной к единице поверхности этого слоя. Адсорбция наблюдается на поверхности раздела фаз: твердое вещество- жидкость, твердое вещество- газ, жидкость – жидкость.

адсорбирующего вещества можно использовать уравнение Гиббса, устанавливающее связь между величиной адсорбции Г, концентрацией С и уменьшением поверхностного с ростом концентрации адсорбтива:

Г=- С/RT∙ dG/dс (1)

График Г=f(с) при Т=const (изотерма адсорбции) имеет вид кривой, которая выходит из начала координат и возрастает с увеличением концентрации сначала быстро, а затем всё медленнее и медленнее, так что кривая асимптотически приближается к некоторой прямой, параллельной оси абсцисс:

Рис.1

Уравнение Гиббса в принципе применимо ко всем случаям адсорбции; однако на практике оно применимо лишь к системам жидкость-газ, в которых поверхностное натяжение G легко поддается измерению. Когда же дело имеет с практически важной адсорбцией на твердых поверхностях, для которых отсутствуют методы непосредственного определения G, пользуются другими уравнениями, например, уравнением Ленгмюра:

Г=Г_∞∙ КС/1+КС (2)

где Г- величина адсорбции ;

Г_∞- предельное количество адсорбирующего вещества;

С- равновесная концентрация растворенного вещества после адсорбции, моль/л;

к – константа равновесия, равная отношению констант скоростей адсорбции и десорбции.

Некоторые случаи адсорбции на твердых, особенно пористых поверхностях, которые не могут быть описаны ни уравнением Гиббса, ни уравнением Фрейндлиха:

Г=βxс^α (3)

где Г- количество вещества в миллимолях, адсорбированного граммом твердого адсорбтива;

С- равновесная концентрация растворенного вещества после адсорбции, моль/л;

β и α – константы, причем α всегда меньше единицы.

Построенная по уравнению (3) кривая Г=f(с) отличается от изотермы Гиббса и Ленгмюра тем, что лишена начального участка и не дает предельного значения адсорбции. Другими словами, уравнение Фрейндлиха справедливо только в интервале средних концентраций.

Лабораторная работа.

Адсорбция уксусной кислоты на угле.

Реактивы и оборудование:

Растворы: уксусная кислота – 0,4н; 0,5 н;

Оборудование: кол-во штук из расчета на двух студентов:

Колбы плоскодонные конические 100мл – 10 шт;

Фильтры- 10 шт;

Пробирки- 10шт;

Воронки- 2 шт;

Штативы с бюретками- 6 шт;

Пипетки на 10мл - 6 шт.

Цель работы:

1. Изучить адсорбцию уксусной кислоты на твердом адсорбенте-угле. Построить изотерму адсорбции по данным опыта.

2. Определить предельное значение удельной адсорбции, используя уравнение Ленгмюра и постоянную «К» этого уравнения.

3. Вычислить удельную поверхность твердого адсорбента.

Ход работы.

Разбавлением 0,4 н раствора уксусной кислоты приготовить растворы концентраций, указанных в таблице №1.

Приготовление исходных растворов.

№ колб	1	2	3	4
Концентрация кислоты	0,4н	0,2н	0,1н	0,05н
Объем растворов, мл	20	10	5	2,5
Объем воды, мл	0	10	15	17,5

Для определения точных значений полученных концентраций кислоты Со из каждой колбы отбирают пипеткой по 5 мл полученного раствора и титруют 0,1н раствором NаОН в присутствии фенолфталеина до устойчивой розовой окраски.

Концентрация кислоты определяется по формуле:

С=С_NаОН∙ V_NаОН / V_к-ты = 0,1 ∙ V_NаОН / 5, (1)

Где С_NаОН – концентрация щелочи;

V_NаОН - объем щелочи, пошедший на титрование;

V_к-ты - Объем кислоты, взятой на титрование, в нашем случае 5 мл.

Для определения величины адсорбции в 4 пробирки, в которых находится по 15 мл полученных растворов кислоты, вносят по 0,5 г адсорбента активированного угля, встряхивают в течении 10-15 минут. Затем раствор отфильтровывают через складчатый фильтр. Определяют точную концентрацию кислоты после адсорбции (С) титрованием 0,1н раствором NаОН.

По данным опыта рассчитывают удельную адсорбцию:

Г ' = x/m= (Со-С)∙V/m (г)

где Г ' = x/m – удельная адсорбция из опыта;

Со - концентрация кислоты до адсорбции;

С - равновесная концентрация кислоты после адсорбции;

V – объем кислоты (в нашем случае 15 мл);

m – навеска угля 0,5 г.

Полученные экспериментальные данные, а также результаты вычислений внести в таблицу №2

Результаты эксперимента.

Таблица №2

№ колб	Со	Vср (из 3-х)	С	Г ' = x/m	С/ Г '	Г '∞	К	S, см^2

Обработка результатов эксперимента:

1. Используя полученные данные, построить изотерму адсорбции Г=f(с),

где С- равновесная концентрация кислоты после адсорбции (рис.1).

2. По уравнению Ленгмюра

Г=Г_∞∙ КС/1+КС

Рассчитать значение предельной удельной адсорбции и константу «К». Для этого можно применить графический метод.

Преобразовав уравнение Ленгмюра в уравнение прямой:

С/Г=С/Г_∞ + 1/КГ_∞

где 1/Г_∞ = const; 1/КГ_∞ = const;

Построим график С/Г= f(с), откладывая на оси абсцисс значения концентраций С, а на оси ординат величины С/Г (рис2).

Рис2.

Котангенс угла α, образуемого этой прямой с осью абсцисс, равен Г_∞, отрезок оа = 1/КГ_∞ , откуда можно найти значение «К», подставляя сюда значение Г_∞, Котангенс угла находят из графика как отношение прилежащего катета к противолежащему, взяв величины катетов с учетом масштабов.

3. Зная Г_∞, вычисляем удельную поверхность адсорбента, выражая ее в см²/г по формуле:

Sуд.= Г_∞^∙Nа ∙q

где Nа – число Авогадро (6,02 ∙10²³);

q – площадь поперечного сечения молекул ПАВ (q= 25∙ 10^-16 см²)