Обробка експериментальних даних

Визначивши у попередній роботі значення констант A і B у рівнянні Шишковського, поверхневий натяг води при температурі досліду σ₀ та поверхневий натяг розчинів після адсорбції σ, рівно­важні концентрації спирту розраховують за допомогою рівняння Шишковського (18.6), кмоль/м³:

(19.3)

За відомими концентраціями розчинів до та після адсорбції, розраховують значення питомої адсорбції спирту:

(19.4)

де х – кількість молів адсорбованого спирту; m – наважка вугілля; V – об’єм розчину спирту. Результати розрахунків записують в таблицю 19.3.

Таблиця 19.3

Експериментальні та розрахункові величини процесу адсорбції спирту на границі поділу фаз активоване вугілля-розчин

mсорбенту =……...кг; Vрозчину спирту = 25·10^–6 м^3
Концентрація розчину, кмоль/м^3		С0 – С, кмоль/м^3	а, кмоль/кг	С/а, кг/м^3
Вихідна, С0	Рівноважна, С

Будують залежність С/а= f(C), знаходять граничне значення питомої адсорбції як котангенс кута нахилу прямої до осі абсцис (див. рис. 18.3) та згідно (19.1) розраховують площу питомої поверхні адсорбенту. Нагадуємо, значення S₀ потрібно взяти з лабораторної роботи 18.

Контрольні запитання

1. Чим відрізняється адсорбція з розчинів від адсорбції газів і ПАР? Які рівняння використовують для описання цих процесів?

2. Дайте визначення площі питомої поверхні адсорбенту. Поясніть рівняння, за яким визначається ця величина.

3. Представте рівняння Ленгмюра у лінійній формі та визначте граничну адсорбцію.

4. Поясніть фізичний зміст констант у рівняннях Ленгмюра і Шишковського.

Лабораторна робота 20 Визначення теплоти змочування калориметричним методом

Мета роботи – визначення теплоти змочування та коефіцієнтів змочування поверхонь дисперсних порошків полярними і непо­ляр­ними рідинами.

Основні теоретичні відомості

Такі поверхневі явища як змочування і розтікання мають вели­ке практичне значення. Можливість їхнього передбачення й управ­ління ними становить наукову основу багатьох виробничих проце­сів, зокрема, фарбування тканин, флотації, видалення забруднень сорбентами тощо. Ці явища відбуваються на границі поділу трьох фаз, роз'єднаних і в той же час зв'язаних трьома поверхневими ша­рами. Кожний з них характеризується власним значенням вільної поверхневої (або міжфазной) енергії . Співвідношення величин  у такій системі визначає умови механічної рівноваги об'ємних фаз та поведінку рідини на поверхні твердого тіла.

Рідина на поверхні твердого тіла може розтікатися або збира­тися у вигляді крапель різної форми. Умову самочинного розтікан­ня краплі можна виразити нерівністю:

_тг > _тж, (20.1)

де _тг і _тр — міжфазні вільні енергії на границях тверде тіло – газ і тверде тіло – рідина відповідно. При цьому відбувається заміна поверхні з більшою вільною енергією на поверхню з меншою енер­гією, що приводить до зменшення запасу вільної енергії в системі; і, навпаки, при _тг < _тж — прагнення системи до мінімуму вільної енергії приводить до мимовільного зменшення площі контакту в процесі "стягування" краплі. У першому випадку відбувається змо­чування, а в другому — незмочування твердого тіла рідиною.

Мірою змочування поверхні рідиною є крайовий кут змочуван­ня θ, який утворює крапля з поверхнею твердого тіла. Крайовий кут змочування представляє собою кількісну характерис­тику змо­чування (θ – кут між твердою поверхнею і дотичною в точці дотику трьох фаз, який зчитується у бік рідкої фази). Чим менший крайо­вий кут, тим краще змочування поверхні рідиною.

Якщо крайовий кут змочування менший за 90º, то поверхня рідиною змочується і називається ліофільною поверхнею. Якщо крайовий кут більший за 90º, то поверхня рідиною не змочується і називається ліофобною поверхнею. Відповідно, тверді тіла, змочу­вані водою, називаються гідрофільними, а не змочувані – гідрофоб­ними. Гідрофільними тілами є оксиди, карбонати, сульфати, солі кисневих кислот, скло; гідрофобними — сірка, графіт, сульфіди ме­талів, полімерні матеріали.

Умови змочування поверхні рідиною визначає рівняння Юнга:

(20.2)

З аналізу рівняння Юнга можна зробити висновок, що при _тг  _тр, cos  0,  < 90° і спостерігається змочування, а при _тг  _тр, cos  0,   90° — незмочування.

Величини міжфазної енергії визначаються роботою молекуляр­них сил, двох типів: сили когезії (злипання) і сили адгезії (прили­пання). Перші діють між молекулами усередині фази, другі — між молекулами, що перебувають у різних фазах. Робота сил адгезії W_a може бути обчислена за рівнянням Дюпре:

W = _рг + _тг – _тр, (20.3)

або Юнга-Дюпре:

W=_рг(1 + сos). (20.4)

Ці рівняння дозволяють обчислити роботу адгезії за відомим значенням _рг і .

Про зміну характеру взаємодії твердої поверхні зі змочуваль­ною рідиною в результаті адсорбції ПАР можна твердити, оціню­ючи величину роботи змочування W_зм, що визначається як різниця між значеннями _т-г і _т-р. Для розрахунку використовують рівнян­ня:

W_зм=_ж-гcos (20.5)

Визначення крайового кута змочування для порошкоподібних тіл неможливе, тому характеристикою їх змочування є теплота змо­чування, яка представляє собою кількість теплоти, що виділяється при зануренні твердого тіла у рідину. Для порошкоподібних речо­вин теплоту змочування розраховують на 1 г речовини.

Теплота змочування завжди позитивна величина і дорівнює зменшенню поверхневої енергії твердого тіла при перенесенні його з повітря або з вакууму в рідину. Для гідрофільних тіл теплота змо­чування водою більша, ніж теплота змочування неполярними роз­чинниками, а для гідрофобних тіл — навпаки.

Характеристикою гідрофільності речовини може бути відно­шення теплот змочування водою Q₁, та неполярною рідиною Q₂:

β = Q₁/Q₂, (20.6)

яке називається коефіцієнтом змочування. Для гідрофільних тіл β > 1, для гідрофобних — β < 1.