Адсорбция из растворов на поверхности твердых тел

Цель работы.

Целью данной работы является изучение адсорбции органических веществ из их водных растворов активированным углём.

Приборы и материалы.

Изучается адсорбция из водных растворов органических кислот и спиртов на поверхности активированного угля. В работе используются бутыли с кислотой, водой и раствором щелочи, снабженные мерными бюретками, капельница с фенолфталеином, конические колбы, воронки, пипетка, фильтровальная бумага.

Порядок выполнения работы.

Равновесную концентрацию растворов определяют двумя методами.

Вариант 1.

В данном варианте работы в качестве объекта исследования выбраны

органические кислоты, изменение концентрации которых, необходимое для вычисления удельной адсорбции Г, определяется методом титрования.

В восемь сухих конических колбочек, пронумерованных с 1 по 8,

помещаютвзвешенные на торсионных весах навески активированного углявеличиной около 400 мг. Точные значения навески угля записывают в таблицу 6.1.В каждую колбу с углём наливают 25 мл указанной в задании органическойкислоты. В лаборатории кафедры имеются растворы кислот четырёхконцентраций. Эти растворы наливают в колбы с углём с 1 по 4 по 25 мл раствора в каждую колбу. Содержимое колб перемешивают и отмечают время начала адсорбции. Через 10-15 минут в каждую из четырёх оставшихся колб с навесками (с 5 по 8) наливают сначала 12,5 мл воды, а затем 12,5 млимеющихся 4 кислот. Время начала адсорбции в колбах с 5 по 8 также заносят в таблицу 4. Содержимое колб периодически перемешивают. По окончании указанного в задании времени адсорбции (например, 45 минут) растворы из колб с 1 по 4 отфильтровывают через складчатые бумажные фильтры. Первые порции фильтрата (5 мл) выливают, т.к. в нихконцентрацияпонижена вследствие

адсорбции кислоты фильтровальной бумагой.

Таблица 6.1 - Экспериментальные данные.

Номера колб
Навеска угля,мг
Концентрация кислоты С, кмоль/м3
Время начала адсорбции
Время окончания адсорбции

 

Послеокончания адсорбции в колбах 5-8 с их содержимым проводят те же операции.Затем определяют равновесные концентрации растворов кислот после адсорбции. Для этого из каждого раствора в чистые колбочки отбирают 2-3 пробы по 5 мл и титруют раствором едкого натра с концентрацией 0,1 кмоль/м³ с фенолфталеином в качестве индикатора дополучения совпадающих результатов.

По объёму V щелочи, пошедшей на титрование 5 мл растворакислоты,рассчитывают равновесную концентрацию кислоты после адсорбции: (6.1)

где f - коэффициент, равный 1 для одноосновной кислоты и равный

0,5 -для двухосновной.

Удельную адсорбцию Г рассчитывают по формуле (5.2), в которой

С₀ - концентрация кислоты после адсорбции, V - объём раствора кислоты,

 

Таблица 6.2 – Экспериментальные и расчетные данные.

Номера колб	Со, кмоль/м3	V, см3	С, кмоль/м3	Г, кмоль/кг	С /Г

изкоторого происходила адсорбция (в нашем случае V = 25.10^-6м³), m – навеска адсорбента в кг. Экспериментальные данные и результаты вычислений записывают в таблицу 6.2.

Вариант 2.

В этом варианте работы концентрация раствора кислоты после адсорбции определяется по величине поверхностного натяжения раствора. Этот вариант работы обычно выполняет студент, проделавший на предыдущем занятии лабораторную работу 1 и получивший зависимость σ = ƒ(С) для растворов данной кислоты.

Приготовление растворов кислоты и адсорбцию из них на активированном угле проводят по методике, описанной в варианте 1. Равновесные концентрации растворов кислоты после адсорбции определяют по величине поверхностного натяжения растворов. Для этогоизмеряютповерхностноенатяжение отфильтрованных растворов, пользуясь методом максимального давления в газовом пузырьке (см. работу 1). Измерения начинают с самогоразбавленногораствора.Перед измерением σ следующегораствораколбочку 1 и пипетку 2 (рисунок 4.1) споласкивают раствором следующей концентрации. Полученные опытные данные заносят втаблицу 6.3.

Таблица 6.3 - Экспериментальные и расчётные данные.

Номер колбы
Н.,мм 1изм. 2изм. 3изм.
Нср.103,м
σ.103, Н/м
С, моль/л
Г, кмоль/кг
С/Г

 

Оформление результатов работы.

По формуле (5.2) вычисляют удельную адсорбцию, строят изотерму адсорбции Г= f(С) (С - равновесная концентрация раствора кислоты после

адсорбции), и проверяют полученные результаты у преподавателя. Затем проверяют применимость уравнения Ленгмюра (3.13) к опытным данным.

Уравнение (3.13) простыми преобразованиями приводится к следующему линейному виду:

(6.2)

В этом уравнении прямой линии y = b₀ + b₁x y = C/Г, x = С, начальный коэффициент прямой b₀= 1/(Г_∞А) и угловой коэффициент b₁=1/Г_∞.С/Г

 

Δ(С/Г)

b_о

С

. ΔС

Рис.6.1 - График линейной формы уравнения Ленгмюра.

 

По опытным данным Г = f(С) рассчитывают С/Г и строят графикзависимости С / Г = f(С) (рисунок 6.3.1). Линейный характер этой зависимостисвидетельствует о применимости уравнения (3.13). В этом

случае по угловому коэффициенту прямой b₁= Δ(С/Г)/ΔС = 1/ Г_∞ вычисляютпредельную адсорбцию Г_∞ и по ней - удельную поверхность адсорбента: S_уд= S₀Γ_∞N_a, (6.3)

где S₀ = 20^.10^-20м²- площадь, занимаемая одной молекулой кислоты в

адсорбционном монослое,

N_a = 6,02 ^.10²⁶ кмоль^-1.

Приложение

(обязательное)

Пример обработки опытных данных σ = f (x)

В качестве объекта выбран водный раствор гексилового спирта. Изотерма поверхностного натяжения раствора этого ПАВ при 20⁰С приведена в таблице 7.1. Растворимость гексанола в воде при 20⁰С равна х_S = 0,00125. Плотность гексанола ρ = 0,832 10³ кг/м³.

Таблица 7.1 - Опытные данные и результаты их обработки.

х	σ, н/м	Δσ, н/м	x /Δσ (н/м)-1	Г.109, кмоль/м2
	0,0728
4,41 10-5	0,0663	0,0065	0,00679	2,39
8,82 10-5	0,0604	0,0124	0,00712	3,83
0,000125	0,0568	0,016	0,00783	4,60
0,000176	0,0529	0,0199	0,00887	5,24
0,000295	0,0467	0,0261	0,0113	5,77
0,000441	0,0412	0,0316	0,014	5,67
0,000565	0,0372	0,0356	0,0159	5,40
0,000882	0,0314	0,0414	0,0213	4,60

 

Первоначально проверяют применимость к опытным данным σ = ƒ (х) выражения(3.15). С этой целью рассчитывают х/Δσ при различныхконцентрациях х (3-тий и 4-тый столбцы таблицы 7.1)истроят графикзависимости х/Δσ = ƒ(х) (рисунок 7.1). В случае

применимости выражения(3.15)указанный график должен представлять собой прямую линию с начальным b_о иугловым b₁ коэффициентами.

Как видно из рисунка 7.1, зависимость х/Δσ = ƒ(х) близка клинейной.

Начальный коэффициент этой прямой b_о равен отрезку, отсекаемому прямой линией на оси х / Δσ при х = 0: b_o = 0,0059м/Н. Угловой

Продолжение приложения

х/Δσ

х

Рисунок7.1. График для проверки формулы (3.15).

 

коэффициент прямойравен b₁= 17,73м/Н. По коэффициентам b₀ и b₁ рассчитывают константы а и b по формулам: а =b₁/b_о = 3005 и b = 1/b₁ =0,0564 Н/м. Затем по уравнениюизотермы адсорбции (3.17)

рассчитывают удельную адсорбцию Г и строят график зависимости

 

Г, кмоль/м²

х

Рисунок 7.2. Изотерма адсорбции гексанола на границе раздела ж-г.

Продолжение приложения

 

Г = ƒ(х) –изотермуадсорбции (рисунок 2).

Далее основываясь на формуле (3.20) рассчитывают толщину поверхностного слоя растворов гексанола. Молярные объёмы гексанола и воды равны, соответственно v₁= М₁/ρ₁ = 0,1249 м³/кмоль и v₂=М₂/ρ₂ = = 0,018 м³/кмоль. Предполагая у = х_S рассчитывают толщину поверхностного слоя вовсём изученном диапазоне концентраций. Результаты расчётов приводят в таблице 7.2.

По формуле (3.22) рассчитывают минимальную возможную толщинуповерхностного слоя z₁. Результаты расчётов заносят в таблицу 7. 2.

 

Таблица 7.2 - Толщина поверхностного слоя растворов гексанола.

х .105	4,41	8,82	12,5	17,6	29,5	44,1	56,5	88,2
z.108, м	3,64	6,04	7,47	8,89	10,9	12,7	14,2	22,4
z1 108, м	-	-	-	-	- 1,75	3,51	4,64	4,34

 

Как видно из таблицы 7.2, минимальная возможная толщина (z₁) имеет физический смысл только при концентрациях раствора больших 2,95 10^-4; при меньших концентрациях она отрицательна.

Далее рассчитывают =1,16 10^–9кмоль/м²,площадь, занимаемуюодной молекулой ПАВ в насыщенном монослое, S_o = ()^-1 = 1,43 10^-19м²и толщину монослоя δ = = 1,44 10^-9м.Таким образом, толщина поверхностного слоя, как следует из данных таблицы 7.2, существенно больше толщины насыщенного монослоя.

Если в координатах х/Δσ = ƒ(х) точки не ложатся на прямую линию, при вычислении удельной адсорбции применяют графический метод.

Литература

1Фридрихсберг, Д.А. Курс коллоидной химии: учебник для вузов / Д.А. Фридрихсберг. - СПб.: Химия, 1995.-400 с.

2 Фролов, Ю.Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явле­ния и дисперсные системы. Учебник для вузов / Ю.Г. Фролов.-М.: Химия, 1989. -464 с.

3 Практикум по коллоидной химии: учебное пособие / В.И. Баранова [и др.]: под ред. В.И. Барановой. - М.: Высшая школа, 1983. –215с.

4Воюцкий, С.С. Kvpc коллоидной химии: учебник для вузов / С.С.Воюцкий. - М.: Хи­мия, 1987.– 312 с.

5 Наумов, В.Н. Краткий коллоидно-химический словарь: справочное пособие / В.Н. Наумов, В.А. Малов. - СПб.:СПбГТИ(ТУ), 2003.- 40 с.

6 Малов, В.А. Математическое обеспечение некоторых коллоидно-химических расчетов на ЭВМ: методические указания / В.А. Малов – Л.: Изд-во ЛТИ им. Ленсовета,1988.- с.36.

 

 

Кафедра физической химии