Министерство здравоохранения и социального развития

Российской Федерации

Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

«Саратовский государственный медицинский университет

имени В.И. Разумовского» Министерства здравоохранения и социального развития Российской Федерации

(ГБОУ ВПО Саратовский ГМУ им. В.И. Разумовского Минздравсоцразвития России)

«УТВЕРЖДАЮ»

Зав. кафедрой общей и биоорганической

химии профессор _____________ П.В. Решетов

«______» _____________________20 ____ г.

Методическая разработка

практического (семинарского, лабораторного) занятия для преподавателей

Специальность, курс: 060103 Педиатрия;; курс I

Дисциплина: химия

Тема: Поверхностные явления. Адсорбция.

Студент должен Знать:

• сущность поверхностного натяжения, почему оно возникает;

• условия самопроизвольного протекания процессов в поверхностном слое;

• понятия «поверхностно-активные» и «поверхностно-инактивные» вещества, «поверхностная активность»;

• сущность процесса адсорбции;

• особенности физической и химической адсорбции;

• понятия «избыточная», «абсолютная» и «удельная» адсорбция

Студент должен уметь:

• строить изотерму поверхностного натяжения и определять графически поверхностную активность;

• рассчитывать поверхностную активность по уравнению Гиббса;

• строить изотерму гиббсовой адсорбции и определять предельную адсорбцию ПАВ;

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

(по теме «Поверхностная энергия. Адсорбция»)

1. Какова причина возникновения избыточной поверхностной энергии?

2. Что называется поверхностным натяжением? От чего зависит величина поверхностного натяжения?

3. В чём заключаются причины самопроизвольных поверхностных явлений?

4. Какие поверхностные явления связаны с уменьшением величины межфазной поверхности?

5. Что называется адсорбцией? Чем она обусловлена?

6. Чем можно объяснить, что деревянную палочку диаметром 1 см сломать легко, а стальной стержень такого же диаметра – практически невозможно?

7. Какие вещества называются поверхностно-активными, поверхностно-инактивными?

8. В чём состоят особенности строения молекул ПАВ и ПИВ и их адсорбции?

9. Как зависит поверхностное натяжение от концентрации ПАВ в растворе?

10. Уравнение Гиббса, его анализ. Ориентация молекул в поверхностном слое; структура липидного биослоя.

11. Чем отличается физическая адсорбция от хемосорбции?

12. Что называется поверхностной активностью? Как её можно определить графически и аналитически?

13. В чём заключается правило Дюкло-Траубе?

14. Как графически можно определить предельную адсорбцию?

15. В чём состоят особенности газов и паров на твёрдых поверхностях?

16. Какие участки есть на изотерме Ленгмюра? Какие математические уравнения характеризуют каждый участок?

17. Перечислите основные положения теории Ленгмюра.

18. Как с помощью теории Ленгмюра можно объяснить ступенчатую адсорбцию?

19. От каких факторов зависит адсорбция на пористых адсорбентах?

20. Какие свойства газов влияют на их адсорбцию.

21. Что является причиной адсорбции растворённых веществ на поверхности твёрдых тел?

22. Какая адсорбция является молекулярной, от каких факторов она зависит?

23. Как зависит молекулярная адсорбция от природы растворённого вещества, растворителя и адсорбента?

24. Перечислите особенности ионной адсорбции. Как она зависит от размеров и зарядов ионов?

25. Сформулируйте правило Панета –Фаянса.

26. В чём сущность ионообменной адсорбции? Какое состояние называется ионообменным равновесием? Какая величина его характеризует?

27. Какие поверхности называются гидрофильными, гидрофобными?

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

ЗАДАНИЕ № 1

Определение зависимости поверхностного натяжения растворов от длины углеводородной цепи ПАВ сталагмометрическим методом

Цель работы. Изучить влияние длины углеводородной цепи и концентрации ПАВ на величину поверхностного натяжения растворов.

Сущность работы сводится к подсчёту числа капель исследуемых растворов ПАВ и воды, вытекающих из одного и того же объёма сталагмометра. Жидкость засасывается выше верхней метки, и когда её уровень опустится до верхней метки, начинают считать число капель, вытекающей жидкости, до тех пор, пока уровень жидкости достигнет нижней метки.

Капля, вытекающей жидкости, отрывается от трубки сталагмометра под действием силы тяжести собственной массы. Поверхностное натяжение стремится противодействовать вытеканию капли, поскольку образование капли связано с увеличением поверхности жидкости.

Чем больше поверхностное натяжение, тем больше должна быть масса капли, способной преодолеть поверхностное натяжение и оторваться.

Практическая часть

1. Определяют число капель воды, выливающейся из сталагмометра.

2. Затем подсчитывают число капель 0,1 М водных растворов следующих спиртов в указанном порядке: С₂Н₅ОН, С₃Н₇ОН, С₄Н₉ОН, С₅Н₁₁ОН.

3. Рассчитывают поверхностное натяжение этих спиртов по формуле σ_х = σ_воды ∙ n_воды / n_x.

4. Строят кривую зависимости σ от числа углеродных атомов в молекулах спиртов (n атомов углерода).

5. Делают вывод о зависимости поверхностного натяжения водных растворов спиртов от длины углеводородной цепи молекул спирта.

ЗАДАНИЕ № 2

Определение зависимости поверхностного натяжения раствора от концентрации ПАВ сталагмометрическим методом

Цель работы. Изучить зависимость величины поверхностного натяжения раствора от концентрации ПАВ

Работа выполняется аналогично действиям в работе № 1.

1. Как и в задании 1, вначале подсчитывают число капель воды.

2. Затем подсчитывают число капель водных растворов амилового спирта следующих концентраций: 0,01 М; 0,025 М; 0,05 М; 0,1 М; 0,2М. Подсчёт капель нужно начинать производить, начиная с растворов низшей концентрации.

3. Рассчитывают поверхностное натяжение водных растворов амилового спирта по формуле, приведённой в задании 1.

4. Графически представляют зависимость поверхностного натяжения водных растворов амилового спирта от его концентрации.

5. Делают вывод о зависимости σ от концентрации растворов амилового спирта.

ЗАДАНИЕ № 3

Изучение адсорбции вещества из раствора на твёрдом адсорбенте

Цель работы. Экспериментально определить величину адсорбции уксусной кислоты из раствора на активированном угле.

Сущность работы сводится к приведению растворов известной концентрации в контакт с адсорбентом. Затем через некоторое время после установления адсорбционного равновесия находят концентрацию равновесного раствора. Количество адсорбированного вещества из раствора вычисляют по разности между концентрацией раствора до и после адсорбции. Определяя эту разность для растворов различной концентрации и зная массу адсорбента, получают данные об удельной адсорбции вещества при разных значениях равновесных концентраций. По этим данным строят изотерму адсорбции. Изотерма описывается с помощью уравнения Лэнгмюра.

Ход работы

Начертите таблицу по форме, указанной ниже:

№ колбы	Концентрация СН3СООН в исходном растворе, моль/л	Концентрация NaOH в растворе для титрования, моль/л	Объём раствора NaOH, мл	Равновесная концентрация СН3СООН в фильтрате, моль/л	Адсорбция СН3СООН, моль/г
1	0,1
2	0,2
3	0,3
4	0,4

С помощью мерного цилиндра в четыре сухие пронумерованные колбы наливают по 25 мл раствора уксусной кислоты, концентрации указаны в таблице. Затем в каждую колбу вносят одновременно по 0,5 г предварительно измельчённого активированного угля. Содержимое колб перемешивают круговыми движениями в течение 10 минут. После этого растворы фильтруют через сухие складчатые фильтры в отдельные колбочки. Из каждого фильтрата с помощью пипетки отбирают по 10 мл и переносят в колбочки для титрования, добавляют по 2 капли индикатора фенолфталеина и титруют каждую пробу раствором гидроксида натрия (до устойчивой слабо-розовоой окраски). Результаты титрования записывают в таблицу. Далее рассчитывают равновесную концентрацию уксусной кислоты по формуле

С_равн (CH₃COOH) =

где V(СН₃СООН) – объём, взятый для титрования.

Адсорбцию уксусной кислоты рассчитывают по формуле

(моль/г)

где С_исх – концентрация раствора уксусной кислоты до адсорбции, моль/л; С_равн – концентрация раствора уксусной кислоты после адсорбции или равновесная концентрация, моль/л; V_исх – объём раствора кислоты, взятый для адсорбции (в нашем опыте – это 0,025 л); m – масса адсорбента (в нашем случае это 0,5 г).

Чтобы построить изотерму адсорбции, по оси абсцисс откладывают равновесные концентрации С_равн, а по оси ординат – соответствующие им значения адсорбции Г.

Исходя из полученных данных, делают вывод о том, как зависит величина адсорбции уксусной кислоты из раствора на угле от её равновесной концентрации.

ЗАДАНИЕ 4

Адсорбция на активированном угле

К воде прилить несколько капель чернил для авторучки. Полученный раствор пропустить 1 – 2 раза через колонку, заполненную активированным углем. Отметить, что при этом наблюдается.

Повторить опыт с растворами окрашенных веществ, например с растворами лакмуса или фуксина.

ЗАДАНИЕ 5

Адсорбционные свойства силикагеля

К раствору сульфата меди (II) добавить раствор аммиака. При этом образуется комплексное соединение ярко синего цвета (написать реакцию образования комплекса). Затем в раствор всыпать 0,5 – 1 г измельчённого силикагеля и раствор взбалтывают. Бесцветный порошок силикагеля принимает тёмно-синюю окраску, а раствор бледнеет. Раствор слить с силикагеля, промыть водой (2 – 3 раза) и после этого добавить соляную кислоту. Темно-синяя окраска силикагеля исчезает, так как кислота разрушает медно-аммиачный комплекс и вымывает из силикагеля ионы меди.

Образцы решения типовых задач

Задача № 1

К 60 мл раствора уксусной кислоты с концентрацией раствора 0,1 моль/л добавили 2 г адсорбента и взболтали. После достижения равновесия пробу раствора объёмом 10 мл оттитровали раствором гидроксида натрия с концентрацией 0,05 моль/л. На титрование затрачено 15 мл титранта. Рассчитайте величину адсорбции уксусной кислоты.

Решение

1. Найдём равновесную концентрация раствора уксусной кислоты по результатам титрования:

С_равн(СН₃СООН) =

С_равн(СН₃СООН) = = 0,075 моль/л

2. Рассчитываем величину адсорбции уксусной кислоты по формуле:

Г(СН₃СООН) = =

Г(СН₃СООН) = 7,5 ∙ 10^-4 моль/г = 0,75 ммоль/ г

Задача № 2

Определите величину адсорбции кислоты С₈Н₁₇СООН на поверхности водного раствора при 10 ⁰С, если массовая доля кислоты в растворе 0,005%. Поверхностное натяжение чистой воды и раствора при этой температуре равны соответственно 74,22 ∙ 10^-3 и 57,0 ∙ 10^-3 Дж/м².

Решение

1. Для расчёта адсорбции Г на поверхности раствора воспользуемся уравнением Гиббса:

Г = - ∙ = - ∙

В уравнении Гиббса величина С₂ означает молярную концентрацию кислоты, С₁ = 0 (чистая вода).

2. Считая, что плотность разбавленного раствора кислоты около 1 г/мл (т.е. такая же, как и воды), используя ω% кислоты, находим, что в 100 мл раствора содержится 0,005 г кислоты. Молярная масса кислоты равна 158 г/моль, поэтому молярная концентрация раствора будет:

С_М = = = 3,16 ∙ 10 ^-4 моль/л.

3. В уравнение Гиббса подставляем необходимые данные:

Г = - ∙ = 7,3 ∙ 10^-6 моль/м²

Ответ: 7,3 ∙ 10^-6 моль/м²

3адача № 3

Экспериментально установлено, что максимальная величина адсорбции ПАВ (М = 60 гмоль) некоторым адсорбентом составляет 5,0 ∙ 10³ мольг. Величина К равна 0,06 моль/л. Какая масса (в граммах) вещества адсорбировалась двумя граммами данного адсорбента из раствора, если равновесная концентрация ПАВ стала равна 0,1 моль/л?

Решение

1. Рассчитываем величину адсорбции ПАВ по уравнению Лэнгмюра:

Г = Г_∞

Г = 5,0 ∙ 10 ^-3 = 3,125 ∙ 10^-3 (моль/г)

2. Количество адсорбированного вещества на адсорбенте массой 2 г будет в 2 раза больше:

n_ПАВ = 3,125 ∙ 10^-3 моль/г ∙ 2г = 6,25 ∙ 10^-3 моль

3. Масса адсорбированного вещества будет равна:

m_ПАВ = т∙М = 6,25 ∙ 10^-3 ∙ 60 = 0,375 г

Ответ: m адсорбированного ПАВ равна 0,375 г.

Задачи для самостоятельного решения

Задача 1.

Чему равно поверхностное натяжение водного раствора амилового спирта, если число капель этого раствора, вытекающего из сталагмометра, равно 72, а число капель воды – 60? Поверхностное натяжение воды при 293 К равно72,8 ∙ 10 ^-3 Дж/м² (плотность раствора принять равной 1 г/см³). (Перед решением задачи ознакомьтесь с лабораторной работой «определение зависимости поверхностного натяжения растворов от длины углеводородной цепи и концентрации ПАВ».

Ответ: 60,6 ∙ 10^-3 Дж/м²

Задача 2.

При 20⁰С поверхностное натяжение 0,2 М водного раствора ПАВ равно 55 ∙ 10^-3 Дж/м². Вычислите величину адсорбции ПАВ (поверхностное натяжение воды при 20⁰С равно 75,75 ∙ 10 ^-3 Дж/м²).

Задача 3.

Экспериментально установлено, что величина максимальной адсорбции пропионовой кислоты на угле 3,0∙10^-3 моль/г; коэффициент К равен 6,0 10^-3 моль/л. Какая масса пропионовой кислоты адсорбировалась из раствора, если равновесная концентрация кислоты равна 0,1 моль/л? Масса адсорбента равна 1 г.

Ответ: 0,139 г.

Тесты для самоконтроля

ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ, АДСОРБЦИЯ ТЕСТ № 1

1. Выберите верное утверждение: 1) атомы или молекулы на границе раздела фаз обладают большой энергией по сравнению с атомами или молекулами в глубине фазы; 2) атомы или молекулы на границе раздела фаз обладают меньшей энергией по сравнению с атомами или молекулами в глубине фазы; 3) атомы или молекулы на границе раздела фаз и в глубине фазы обладают одинаковой энергией; 4) верное утверждение отсутствует.

2. Укажите, какие вещества, формулы которых указаны ниже, обладают отрицательной адсорбцией на поверхности водного раствора? 1) NH₄OH; 2) C₃H₇NH₂ ; 3) C₃H₁₃SO₃; 4) Na₂SO₃

3. При увеличении температуры значение поверхностного натяжения: 1) уменьшается; 2) увеличивается; 3) не изменяется.

4. Поглощение вещества всей массой адсорбента называется: 1) адсорбцией; 2) абсорбцией; 3) сорбцией; 4) десорбцией.

5. Укажите, в каком ряду возрастает адсорбция веществ из водных растворов на активированном угле? 1) СН₃СООН, СН₃СООNa; С₂Н₅ОН; С₃Н₇ОН; 2) С₃Н₇ОН, С₂Н₅ОН, СН₃СООН, СН₃СООNa; 3) СН₃СООNa, СН₃СООН, С₂Н₅ОН, С₃Н₇ОН; 4) СН₃СООNa, С₃Н₇ОН, СН₃СООН, С₂Н₅ОН.

6. Чем лучше адсорбат растворяется в данном растворителе, тем он адсорбируется из этого растворителя: 1) хуже; 2) лучше; 3) растворимость адсорбата не влияет на адсорбцию.

7. Адсорбция газов на твёрдом адсорбенте зависит от: 1) от давления; 2) температуры; 3) природы адсорбента и адсорбата; 4) от удельной поверхности адсорбента.

8. Если число капель водного раствора, вытекающего из сталагмометра, больше числа капель воды, то растворённое вещество: 1) ПНВ; 2) ПИВ; 3) ПАВ.

9. Молекулярная адсорбция зависит от: а) природы адсорбента; б) природы растворителя; в) природы адсорбата; г) концентрации раствора; д) температуры? 1) а,б,в; 2) а,в, г, д; 3) а, б, в, г, д; 4) а,б,г,д.

10. Укажите единицы измерения поверхностного натяжения в системе СИ: 1) Н∙м²∙моль ^-1; 2) Дж∙м∙моль^-1; 3) Дж ∙ м²; 4) Н∙ м.

ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ, АДСОРБЦИЯ ТЕСТ № 2