методичка фкх

Завдання на виконання роботи

1.Визначити поверхневий натяг дистильованої води та водних розчинів з різною концентрацією ПАР, використовуючи сталагмометричний метод.

2.Провести дослідження залежності поверхневого натягу розчинів від концентрації ПАР, побудувати ізотерму поверхневого натягу в координатах

σ, Дж/м2 = f ( с, моль/л).

3.Розрахувати та побудувати за ізотермою поверхневого натягу ізотерму адсорбції Гіббса в координатах Г, моль/м2 = f(с,моль/л ).

4.За методом графічного розв'язування рівняння Ленгмюра розрахувати значення граничної адсорбції Г , моль/м2 ПАР у моношарі на межі поділу розчин – повітря.

5.Розрахувати параметри молекул ПАР – довжину та "посадкову площу" однієї молекули ПАР у насиченому моношарі.

Прилади, лабораторний посуд та реактиви

Сталагмометр, шість конічних колб ємністю 50 мл, розчини органічних кислот та спиртів.

Порядок виконання лабораторної роботи

1.Сталу сталагмометра визначають за дистильованою водою за рівнянням σH2O nH2O K .

2.Готують п’ять робочих розчинів послідовним розведенням удвічі 20

мл розчину ПАР з відомою вихідною концентрацією (табл. 7.1).

3.Вимірюють поверхневий натяг розчинів, починаючи з найбільш розведеного розчину і закінчуючи початковим (нерозведеним). Експериментальні дані за кількістю краплин рідини, що витікає з сталагмометра від позначки до позначки, записують у робочу табл. 7.2 у порядку збільшення концентрації ПАР у розчині, починаючи з даних для дистильованої води, поверхневий натяг якої повинен відповідати температурі досліду у лабораторії.

4.За даними робочої табл. 7.2 будують ізотерму поверхневого натягу

(рис. 7.2)

	Характеристики ПАР		Таблиця 7.1
	Молекулярна	Густина	Вихідна
Речовина	маса	d1·10-6, г/м3	концентрація
	М, а.од.м.		С, моль/л
Оцтова кислота	60,0	1,04	2,00
Масляна кислота	88,1	0,96	0,25
Валеріанова кислота	102,2	0,94	0,05
Пропіловий спирт	60,1	0,80	1,00
Ізобутиловий спирт	74,1	0,81	1,00
Ізоаміловий спирт	88,2	0,82	0,30

51

Опрацювання та аналіз результатів

1. Експериментальні дані, отримані при роботі з 2н розчином оцтової кислоти при 20 0С наведено в таблиці 7.2. За даними таблиці в координатах = f(С) побудована ізотерма поверхневого натягу розчинів оцтової кислоти при

200С (рис. 7.2).

				Таблиця 7.2
	Поверневий натяг розчинів оцтової кислоти
		Концентрація	Кількість	Поверхневий
№ п/п		ПАР	краплин рідини
				натяг σ·103, Дж/м2
		С, моль/л	n, шт.
1		0	40	72,75
2		0,125	45	64,67
3		0,250	49	59,39
4		0,500	52	55,96
5		1,000	56	51,96
6		2,000	58	50,17

2. Ізотерму адсорбції Гіббса за ізотермою поверхневого натягу розраховуємо та будуємо на підставі таких міркувань. Зв’язок між гіббсівською адсорбцією, концентрацію ПАР та зміною поверхневого натягу з

концентрацією встановлюється рівнянням Гіббса
Γ		C			dσ	.	(7.14)
		R T
					dC
Кожній концентрації С на кривій ізотерми поверхневого натягу (рис. 7.2)
відповідає своє значення похідної	dσ		,	що входить у рівняння			Гіббса і
	dC

використовується для розрахунку адсорбції Г. За методом графічного розв’язування ізотерми поверхневого натягу σ f(C) до цієї кривої в пяти

точках, що відповідають пяти концентраціям робочих розчинів ПАР у воді, проводять дотичні до перетину з віссю ординат та горизонтальні лінії до цієї осі (рис. 7.2). Довжина відрізка BD у трикутнику ABD дорівнює довжині відрізка ОМ і відповідає концентрації розчину оцтової кислоти 0,250 моль/л. Позначивши відрізок АВ літерою Z та навівши його в одиницях поверхневого натягу, одержуємо:

	Z	dσ				(7.15)
		dC
	C
	або		dσ
	Z C				.	(7.16)
	3. Після підстановки Z у рівняння		dC
		Гіббса отримуємо				рівняння для

розрахунку значень адсорбції Г ПАР у поверхневому моношарі на межі розділу розчин – повітря:

52

	Γ	1	Z .	(7.17)
		RT

Рис. 7.2. Ізотерма поверхневого натягу розчинів оцтової кислоти у воді та графічне опрацювання ізотерми поверхневого натягу розчинів оцтової кислоти

Отже, кожному значенню концентрації на ізотермі поверхневого натягу відповідає свій відрізок Z і відповідно своє значення Г. Ці значення заносимо до табл. 7.3.

Таблиця 7.3

Розрахунок значень адсорбції Гіббса (R=8,314 Дж/(моль К))

N пор.	Концентрація	Відрізок Z·103,	Адсорбція Г,
	ПАР С, моль/л	Дж/м2	моль/м2
1	0,125
2	0,250
3	0,500
4	1,000
5	2,000

4.Побудову ізотерми адсорбції Гіббса проводимо в координатах

Г,моль/м2 =f(С, моль/л).

5.Для розрахунку ємності моношару Г , моль/м2, користуються

рівнянням Ленгмюра приведеного до рівняння прямої 7.13.

6. Будують графік	у координатах	C	f(C) (рис. 7.1) і визначають
a		Γ
	2
значення Г як: ctgα b	Γ , моль/м .

7. Розраховуємо довжину молекули ПАР та її "посадкову площу" за рівняннями 7.11 та 7.10.

53

Питання для самоперевірки

1.Дати визначення поверхневого натягу. Фізичний зміст сили поверхневого натягу та одиниці вимірювання.

2.Поверхневий натяг чистих рідин. Як залежить поверхневий натяг від температури?

3.Чим пояснюється сферична форма крапель рідини?

4.Методи вимірювання поверхневого натягу.

5.Дати визначення поняттям “адсорбція” та “поверхнево-активна речовина”.

6.Наведіть та проаналізуйте основне рівняння ізотерми адсорбції

Гіббса.

7.Що таке поверхнева активність і як її визначити?

8.Описати метод побудови ізотерми адсорбції Гіббса за ізотермою поверхневого натягу.

9.Поняття про ПАР: приклади; будова молекули ПАР.

10.Дайте характеристику поверхнево-активним і поверхнево-інактивним речовинам.

11.Правило Дюкло–Траубе.

12.Рівняння Ленгмюра. Як графічно визначити сталі рівняння Ленгмюра?

13.Розрахунок граничної адсорбції.

14.Розрахунок довжини молекули ПАР та площі, що її займає ця молекула на поверхні поділу фаз.

Лабораторна робота № 8 АДСОРБЦІЯ НА МЕЖІ ПОДІЛУ ТВЕРДЕ ТІЛО – РІДИНА.

ОБЧИСЛЕННЯ ПИТОМОЇ ПОВЕРХНІ АДСОРБЕНТУ Мета роботи – визначити адсорбцію ПАР на активованому вугіллі та

розрахувати питому поверхню адсорбенту.

Теоретичні відомості

Адсорбція – це процес накопичення молекул розчиненої речовини або газу на поверхні розділу фаз. Він супроводжується енергетичною зміною системи – виділенням або поглинанням теплоти. Цей процес відбувається самовільно, оскільки в результаті його проходження знижується поверхневий натяг на межі розділу фаз і зменшується вільна поверхнева енергія. Речовина, на поверхні якої відбувається адсорбція, називається адсорбентом, а речовина, що накопичується – адсорбтивом (адсорбатом).

Залежно від агрегатного стану адсорбенту та адсорбтиву розрізняють три типи адсорбції: адсорбцію газу на поверхні твердого тіла, розчиненої речовини на межі розділу рідина – газ та адсорбцію розчиненої речовини на межі тверде тіло – розчин.

Графічна залежність кількості адсорбованої речовини від рівноважного тиску а=f(P) або від концентрації а=f(c) при сталій температурі називається

ізотермою адсорбції.

54

Нагромадження молекул на твердому адсорбенті може бути чисто фізичним процесом (фізична адсорбція) або супроводжуватись хімічною реакцією на поверхні адсорбенту – хімічна адсорбція (хемосорбція).

Хемосорбція – хімічний процес, який потребує значної енергії активації, через це збільшення температури сприяє хемосорбції.

І.Ленгмюр створив і обгрунтував теорію мономолекулярної адсорбції газів на твердому адсорбенті, припустивши, що активні центри рівномірно розподілені на поверхні і адсорбція локалізована.

Рівнянняізотерми адсорбції Ленгмюра має вигляд

	а а			в Р		(8.1)
		1		в	Р

де а – адсорбція, моль/м2 ; а – гранична адсорбція (ємність моношару); в

- стала.

Для визначення сталих в і а рівняння Ленгмюра для адсорбції можна записати у вигляді:

	P	1	1 P.	(8.2)
		в а
	а		а
	Графік залежності Р/а=f(P) виражається прямою, яка не проходить через
	початок координат і відтинає на осі відрізок, що дорівнює			1/в· а . Константа в
	характеризує поверхневу активність	адсорбтиву; 1/ а		визначається за

тангенсом кута нахилу прямої до осі абсцис, тоді а =ctgφ.

При адсорбції твердими адсорбентами з розчинів слід розрізняти молекулярну адсорбцію, коли адсорбент притягує на свою поверхню молекули адсорбтиву, та іонну адсорбцію з розчинів електролітів.

При молекулярній адсорбції молекули розчиненої речовини і розчинника здатні до адсорбції на твердій поверхні і можуть адсорбуватись одночасно. Переважна адсорбція тих чи інших молекул буде визначатися їх здатністю зменшувати вільну поверхневу енергію на межі розділу адсорбент – розчин. Речовина, в якій знижуюче значення адсорбенту є сильнішим, буде адсорбуватися переважно в більших кількостях.

Адсорбція на твердих адсорбентах проходить не на всій поверхні, а тільки на адсорбційно-активних центрах з надлишком вільної поверхневої енергії. Тому для більш повного вбирання адсорбенту необхідно підбирати адсорбент, який не взаємодіє з розчинником.

Молекулярна адсорбція залежить від природи адсорбенту в тому середовищі, в якому розчинені молекули адсорбтиву. Полярні адсорбенти – глина, силікагель, алюмогель, цеоліти – добре змочуються водою. Такі адсорбенти краще адсорбують поверхнево-активні речовини з вуглеводневих середовищ, оскільки взаємодія між полярним адсорбентом і вуглеводневим середовищем незначна. Неполярні адсорбенти – вугілля, тальк – краще адсорбують з водних розчинів.

Такий вплив на адсорбцію природи адсорбенту, адсорбтиву і середовища підпорядковується правилу зрівнювання полярностей Ребіндера – процес

55

адсорбції йде в бік вирівнювання полярностей фаз і тим сильніше, чим більша початкова різниця полярностей. Через це для адсорбції, наприклад, оцтової кислоти з води слід використовувати неполярний адсорбент – вугілля, тальк; а для адсорбції її з неполярного середовища – бензолу, толуолу – полярний адсорбент – силікагель, алюмогель.

Адсорбцію на порошкоподібному адсорбенті можна розрахувати таким чином. Якщо в розчин об’ємом V з початковою концентрацією ПАР С0 всипати пористий порошкоподібний адсорбент (активоване вугілля) масою m, то частина ПАР із розчину буде адсорбуватися на твердій поверхні. В результаті концентрація речовини в розчині знизиться до С, величина надлишкової (гібсівської) адсорбції буде:

Г	( C 0	C ) V	(8.3)
		m

Дане рівняння показує кількість ПАР, що адсорбувалися на поверхні твердого тіла. Адсорбція буде виражатися в моль/кг.

Орієнтація молекул ПАР на межі розділу тверде тіло – рідина буде відбуватися згідно правила вирівнювання полярностей Ребіндера. На межі вугілля (неполярна фаза) з водою (полярна фаза) адсорбційний шар молекул ПАР орієнтується гідрофільною частиною до рідини. Адсорбційний шар молекул ПАР вкриває тверду поверхню і надає їй полярні властивості (Рис.8.1,а). Таким чином, границя поділу неполярне тверде тіло – полярна рідина в результаті адсорбції замінюється на границю поділу полярна частина адсорбційного шару на твердій поверхні

– полярна рідина. Відбулося вирівнювання полярностей фаз: неполярно – полярна границя стала полярно – полярною.

Вода	Бензол

Вугілля

Силікагель

а

б

Рис. 8.2. Схема орієнтації молекул ПАР на межі фаз різної природи.

56

Розглянемо другий приклад, коли гідрофільна поверхня твердого тіла (силікагель) контактує з неполярною рідиною (бензол) – Рис.8.2,б. При цьому молекули ПАР орієнтуються навпаки – гідрофобна, неполярна, вуглеводнева частина повернена в сторону неполярного бензолу, а гідрофільна – в сторону полярного силікагелю. І вихідна границя поділу полярне тверде тіло – неполярна рідина в результаті адсорбції замінюється на неполярний адсорбційний шар твердої поверхні – неполярна рідина.

У гомологічному ряду органічних речовин /кислот, спиртів/ адсорбційна здатність збільшується у міру зростання довжини вуглеводневого ланцюга. Значення адсорбції при переході від одного гомолога до наступного збільшується в 1,5 рази. Ця закономірність дістала назву правила Траубе для адсорбції на твердих, гладких адсорбентах. На молекулярну адсорбцію впливає пористість адсорбенту та розмір його пор.

Завдання на виконання роботи

1.Провести адсорбцію на межі поділу фаз активоване вугілля – розчин органічних кислот.

2.Розрахувати адсорбцію Г в молях на 1г адсорбенту для п’яти досліджуваних концентрацій.

3.Побудувати експериментальну ізотерму адсорбції в координатах Г=f(Ср).

4.Побудувати пряму в координатах CΓp f(Cp ) для знаходження граничної адсорбції графічним розв язанням рівняння Ленгмюра.

5.Обчислити питому адсорбційно-активну площу поверхні адсорбенту Sпит

[м2/г].

Установки, прилади, лабораторний посуд та реактиви

Терези технічні, хімічні склянки, органічні кислоти, активоване вугілля, піпетки, 0,1 н розчин NaOH, фенолфталеїн, лійки, фільтрувальний папір.

Порядок виконання роботи

1. Для виконання роботи готується розчин будь-якої органічної кислоти п яти різних концентрацій послідовним розведенням вдвічі. Початкові концентрації для кислот: оцтової – 0,2 – 0,4 н, масляної – 0,25 н, валеріанової – 0,3 н, лимонної – 0,25 н, щавелевої – 0,1 н.

Беруть п ять сухих колб. У першу наливають 50 мл вихідного розчину кислоти, в інші по 50 мл дистильованої води. Після цього в другу колбу вносять ще 50 мл вихідного розчину кислоти, вміст добре струшують, відбирають 50 мл розчину і вносять у наступну колбу з водою і т.д. З останньої колби 50 мл розчину виливають у раковину.

2. В окремій колбі титруванням лугом визначають нормальність найконцентрованішого вихідного розчину. Для цього піпеткою беруть дві–три проби кислоти по 10 мл і титрують 0,1 н розчином NaOH у присутності фенолфталеїну.

57

3.На технічних терезах зважують п ять рівних частин активованого вугілля по 1…2 г і вносять у п’ять колб, що містять по 50 мл розчинів різних розведень.

4.Вміст колб перемішують протягом 10-15 хв, потім відфільтровують, відкидаючи перші порції фільтрату.

5.Рівноважні концентрації після адсорбції перевіряють титруванням у всіх колбах, відбираючи для цього з кожної колби по 10 мл розчину.

Опрацювання результатів

1. Результати титрування вихідного розчину кислоти розраховують за рівнянням

Vk Ck Vл Сл ,	(8.4)
де Vk – об’єм кислоти, взятої для титрування (10	мл); Ск – концентрація

кислоти; Vл – об єм лугу, використаного на титрування (середнє з трьох вимірювань); Сл – концентрація лугу (0,1 н).

2.Концентрації робочих розчинів кислоти визначають за даними п’яти розведень.

3.Величину адсорбції Г розраховують за рівнянням

Г		( C 0 C ) V	10	3	,	(8.5)
		m

де С0 і С – початкова та рівноважна концентрації кислоти; V – об’єм розчину, мл; m – наважка адсорбенту, г. Одержані дані заносять до таблиці.

Таблиця 8.1

Результати розрахунку адсорбції на межі поділу тверде тіло – рідина

	Номери		Концентрація розчину,				Адсорбція	Відношення
	колб		моль/л				Г, моль/г	Ср/Г, г/л
			вихідного С0	рівноважного Ср
	1
	4.	Будують експериментальну ізотерму адсорбції						Ленгмюра в
	координатах Г=f(Ср).				C p
	5.	Будують пряму в координатах				f(C p ) ( див. лабораторну роботу
					Γ

№7, рис.7.1). Граничну адсорбцію Г . знаходять як котангенс кута нахилу отриманої прямої.

6.	Обчислюють	питому	адсорбційно-активну	площу поверхні
адсорбенту S [м2/г] за таким рівнянням .
		S0 Γ NA q ,		(8.6)
де	Г – гранична	адсорбція;	NA – число Авогадро,	NA=6,02 1023; q –

“посадкова площа” однієї молекули, для кислот жирного ряду q=20 10-20 м2.

58

Оцінка похибки

Одержані результати питомої поверхні адсорбенту порівнюють з паспортними даними для цих адсорбентів.

Питання для самоперевірки

1.Основні положення явища адсорбції: поняття адсорбція, адсорбент, адсорбат.

2.Характеристика фізичної та хімічної адсорбції.

3.Адсорбція на межі поділу тверде тіло – газ: рівняння ізотерми адсорбції Ленгмюра та його графічне розв’язання, розрахунок ємності моношару та питомої поверхні адсорбента.

4.Молекулярна адсорбція з розчинів на поверхні твердого тіла. Як розрахувати кількість речовини, адсорбованої одиницею поверхні адсорбента?

5.Сформулюйте правило вирівнювання полярностей Ребіндера. Покажіть схематичну орієнтацію молекул ПАР на межі розділу вода – вугілля та бензол – силікагель.

6.Сформулюйте правило Дюкло Траубе.

7.Навести приклади гідрофільних та гідрофобних адсорбентів.

59

Лабораторна робота № 9 МЕТОДИ ОДЕРЖАННЯ КОЛОЇДНИХ СИСТЕМ

Мета роботи – навчитися отримувати основні колоїдні системи різними методами.

Теоретичні відомості

Колоїдними розчинами, або золями, називають дисперсні системи, що складаються з дисперсної фази з частинками розміром 10-7 – 10-9м і рідкого дисперсійного середовища.

Будь-яку речовину за конкретних умов можна перевести в колоїднодисперсний стан. Наприклад, NaCl у воді утворює справжній розчин (гомогенну систему), а в бензолі – колоїдну (гетерогенну) систему. В колоїднодисперсійному стані кожна частинка являє собою агрегат молекул даної речовини.

Емульсіями називаються дисперсні системи, що складаються з двох незмішуваних рідин, одна з них міститься в другій у вигляді краплинок розміром 10-4 – 10-7м. Однією з фаз емульсії частіше є вода, а другу називають маслом. В емульсіях маслом називають не тільки природні масла, а й будь-яку іншу органічну неполярну рідину, не розчинну у воді (гептан, керосин, бензол).

Агрегативно стійкими емульсії, як правило, бувають у присутності третього компонента – емульгатора, адсорбція якого призводить не тільки до зниження міжфазної вільної поверхневої енергії, а й до виникнення механічно стійкого захисного шару на межі поділу вода – масло.

Якщо емульгування проводити з добавками розчинів казеїну, желатину або мил лужних металів (олеат натрію), тобто речовин, краще розчинних у воді, ніж у неполярній рідині, утворюються емульсії прямого, першого типу – “масло у воді” (М/В), де дисперсійним середовищем є вода. Емульсії другого типу – “вода в маслі” (В/М) можна одержати, якщо емульгатором буде лецитин або мило лужноземельних металів, тобто речовини, краще розчинювані в маслі, ніж у воді.

Якщо до емільсії типу М/В, стабілізованої натрієвим милом, додати розчин СаСl2, може виникнути обернення емульсії. Виникає емульсія типу В/М, стабілізована олеатом кальцію, краще розчинюваним у маслі, ніж у воді.

Використання твердих емульгаторів-порошків базується на вибірковому змочуванні їх полярною чи неполярною рідиною. Гідрофільні порошки (глина, крейда) краще змочуються водою, тому під час емульгування вода стає середовищем, а масло збирається в краплю. Гідрофобні порошки (вугілля, сажа) в аналогічних умовах утворюють обернену емульсію. В обох випадках частинки порошку зумовлюють виникнення механічного захисту краплинок емульсії, створюють стійку коагуляційну структуру, що заважає коалесценції.

Пінами називають дисперсні системи, що складаються з газу, диспергованого в рідині. Вони є комірчасто-плівковими, зв`язаними

60