Молекулярная адсорбция из растворов на твердом веществе

Размещено на http://www.allbest.ru/

Физическая и коллоидная химия

Методические указания к лабораторной работе

«Молекулярная адсорбция из растворов

на твердом веществе»

Составители:

А. Х. Абрамьян

И. В. Мишенина

Владикавказ 2013



А16 Физическая и коллоидная химия: Методические указания к лабораторной работе «Молекулярная адсорбция из растворов на твердом веществе». Для студентов направлений 260100 «Продукты питания из растительного сырья», 260800 «Технология продукции и организация общественного питания» / Сост.: А. Х. Абрамьян, И. В. Мишенина; Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет). - Владикавказ: Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет). Изд-во «Терек», 2013. - 13 с.

УДК 544; 544.7

ББК 24.5; 24.6

Редактор: Хадарцева Ф. С.

Компьютерная верстка: Куликова М. П.

Составление. Северо-Кавказский

горно-металлургический институт

(государственный технологический университет), 2013

Абрамьян А. Х., Мишенина И. В., составление, 2013

Подписано в печать 24.12.2013. Формат 60х84 1/16. Бумага офсетная. Гарнитура «Таймс». Печать на ризографе. Усл. п.л.0,76. Тираж 25 экз. Заказ № .

Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет). Издательство «Терек».

Отпечатано в отделе оперативной полиграфии СКГМИ (ГТУ).

362021, г. Владикавказ, ул. Николаева, 44.



1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1 Сорбция и ее виды

Поглощение газов, паров и растворенных веществ твердыми телами и жидкостями называется сорбцией. Различают:

Абсорбцию - объемное поглощение жидкостью или твердым телом;

Адсорбцию - поглощение поверхностью твердого тела или поглощение на границе раздела жидкость - жидкость или жидкость - газ (пар).

Далее будут рассматриваться лишь явления адсорбции на твердых фазах.

Твердая фаза, на поверхности которой поглощается вещество из объема соприкасающейся с ней жидкости или газа, называется адсорбентом, а поглощаемое вещество - адсорбатом или адсорбтивом.

Адсорбция происходит под влиянием молекулярных сил поверхности адсорбента и ведет к уменьшению свободной поверхностной энергии. Схематически на рис. 1.1 изображены нескомпенсированные силы молекулярного притяжения на поверхности адсорбента.

Рис. 1.1. Схема нескомпенсированных поверхностных сил молекулярного притяжения:1 - объем твердой фазы;2 - поверхность твердой фазы;

3 - поверхностные силы молекулярного притяжения.

Молекулы адсорбата, приближаясь из объема газа или жидкости к поверхности адсорбента испытывают притяжение со стороны последнего. Сближение молекул адсорбата с поверхностными молекулами адсорбента происходит до тех пор, пока силы молекулярного притяжения не уравновесятся более «короткодействующими» силами молекулярного отталкивания. Такое состояние адсорбированных молекул является равновесным. В результате поверхность адсорбента покрывается тонким адсорбционным слоем адсорбата.

Адсорбционное равновесие является динамическим, т. е. скорости адсорбции и десорбции молекул адсорбата равны. Десорбция адсорбата происходит из-за неравномерного распределения и постоянного перераспределения энергии адсорбированных молекул. Те молекулы, которые получают достаточное возбуждение, чтобы преодолеть силы поверхностного молекулярного притяжения, способны десорбироваться.

Адсорбция называется физической или молекулярной, если молекулы адсорбата в адсорбционном слое сохраняет свою индивидуальность, т. е. адсорбционные силы являются молекулярными (ван-дер-ваальсовыми).

Адсорбция называется химической или хемосорбцией, если адсорбция вызвана силами химического сродства, а молекулы адсорбата образуют в адсорбционном слое поверхностные химические соединения с молекулами (атомами) адсорбента.

Адсорбция характеризуется количеством адсорбата, поглощенным единицей массы (мг/г, ммоль/г и т. п.) или единицей поверхности (мг/м2, ммоль/см2 и т. п.). Обозначим его через Г (зависит для заданной системы от температуры и концентрации правильного давления) адсорбата.

Зависимость

Г = f(cT) называется термическим уравнением адсорбации;

Г = f(c)T; Г = f(P)T - уравнением изотермы адсорбции;

Г = f(T)с или Г = f(T)P - уравнением изобары адсорбции.

В этих уравнениях с и Р - равновесные концентрации и давления.

1.2 Зависимость адсорбции от температуры

Эта зависимость выражается уравнением изобары адсорбции.

Процессы адсорбции экзотермические. Поэтому согласно принципу Ле Шателье повышение температуры должно уменьшить равновесную адсорбцию Г.

Рис. 1.2. Изобара адсорбции.

На рисунке 1.2 представлена типичная изобара адсорбции, на которой имеются характерные участки. В области низких температур (участок MN на изобаре) доминирует физическая адсорбция, а в области повышенных температур - хемосорбия (участок PR на изобаре). В промежуточной области температур Г растет с температурой. Промежуточная область изобары адсорбции является неравновесной (на рис. 1.2 она показана пунктирно).

Теплота физической адсорбции в среднем на порядок меньше теплоты хемосорбции Для физической адсорбции Q от 1-5 (простые молекулы) до 10-20 (большие молекулы) ккал/моль, а для хемосорбции Q = 10-100 ккал/моль., поэтому убыль Г с ростом температуры значительно сильней при хемосорбции, чем при физической сорбции. В явной форме влияние теплоты адсорбции на зависимость адсорбционного равновесия выражается уравнением изостеры:

(1)

где р (или с) - равновесное давление (или концентрация) адсорбата в газовой или жидкой фазе; Q - теплота адсорбции; В(Г) - постоянная величина для Г = const.

Из уравнения изостеры видно, что чем больше Q, тем больше увеличение р (или с) необходимое при заданном увеличении Т, чтобы оставалось постоянным Г.

1.3 Зависимость адсорбции от парционального давления или концентрации адсорбата

Эта зависимость становится однозначной при фиксированной температуре. Поэтому ее удобно выражать уравнением изотермы адсорбции.

На рис. 1.3 представлена типичная изотерма адсорбции, на которой имеются характерные участки: ОА - линейного нарастания Г с увеличением с (или р), АВ - нелинейного нарастания Г с ростом с, ВС - постоянства Г при увеличении с (насыщение поверхности адсорбатом).

Рис. 1.3. Изотерма адсорбции:

ОА - область Генри;

АВ - область средних заполнений адсорбционной поверхности монослоем;

ВС - область насыщения адсорбционной поверхности монослоем;

СD - область полимолекулярной адсорбции.

До точки с адсорбционный слой остается мономолекулярным (мономолекулярная адсорбция). Точка С - точка перегиба на кривой изотермы адсорбции. Повышение Г за точкой С с ростом с или р происходит в результате заполнения второго и последующих молекулярных слоев в адсорбционном слое (полимолекулярная адсорбция).

В зависимости от природы сорбента и сорбата протяженность типичных участков изотермы адсорбции может меняться вплоть до исчезновения некоторых участков (например, участок АВ может переходить сразу в участок СД без насыщения).

Экспериментальное изучение процессов адсорбции привело к эмпирическим уравнениям изотермы адсорбции:

- уравнение Генри Г = kр или Г = k1с, (2)

применимое для малых р или с;

- уравнение Фрейндлиха Г = Крn или Г = Ксn, (3)

применимое для средних р и с;

В уравнениях (2) и (3) К, k, k1 - постоянные.

Первая достаточно стройная теория адсорбции была предложена Ленгмюром.

Теория Ленгмюра основана на следующих допущениях:

1. Адсорбент на своей поверхности имеет ограниченное число адсорбционных центров, каждый из которых может сорбировать лишь одну молекулу адсорбата как при молекулярной сорбции, так и при хемосорбции. Эти центры действуют независимо друг от друга.

2. Все адсорбционные центры одинаковы (обладают одинаковыми сорбционными силами).

3. Между адсорбированными молекулами нет взаимодействия.

Эта теория приводит к следующему уравнению изотермы - адсорбции уравнению Ленгмюра:

Г = k,(4)

где k и b - постоянные:

k - величина, пропорциональная числу центров адсорбции;

- отношение констант скорости адсорбции и десорбции, т. е.

,

где Q = ДH < 0 - теплота адсорбции, b0 = const, H - энтальпия.

Уравнение Ленгмюра аналогично (4), если вместо с подставить р.

Если с или р достаточно мало, так что bc << 1, то уравнение (4) приводится к уравнению (2), т. е. описывает линейную часть изотермы адсорбции при малых с (участок ОА на рис. 1.3).

Если с или р достаточно велико, так что bc >> 1, то уравнение (4) приводится к Г = k, т. е. описывает линейную часть изотермы адсорбции в области насыщения (участок ВС на рис. 1.3).

Уравнение Ленгмюра приемлемо и для средней части изотермы адсорбции (участок АВ на рис 1.3), но в худшей степени, чем уравнение Фрейндлиха.

Хотя Ленгмюровская теория адсорбции отражает основные особенности процесса, но не всегда достаточно точно и не все, потому что принятые Ленгмюром допущения идеализируют реальную картину.

Если отказаться от допущения 2, то можно теоретически вывести уравнения изотерм адсорбции, лучше описывающие экспериментальную изотерму адсорбции в области средних заполнений поверхности адсорбента (участок АВ на рис. 1.3), и, в частности, получить уравнение Фрейндлиха.

Отказ от допущения 3 позволяет объяснить изменение теплоты адсорбции с ростом степени заполнения поверхности адсорбента.

Отказ от допущения 1 позволяет объяснить полимолекулярную адсорбцию (отсутствие участка насыщения), для которой применимо уравнение изотермы адсорбции, выведенное Брунаэром, Эмметом и Теллером (БЭТ):

. (5)

Рис. 1.4. График изотермы адсорбции Фрейндлиха

в логарифмической форме.



2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Целью настоящей лабораторной работы является определение постоянных K и n в уравнении изотермы Фрейндлиха:

,

где х - количество молей (или миллимолей) адсорбата, поглощенного m граммами адсорбента при адсорбционном равновесии.

Адсорбатом служит уксусная кислота, адсорбентом - активированный уголь.

2.1 Последовательность работы

2.1.1В четыре колбы отмерьте пипеткой по 100 мл уксусной кислоты следующих концентраций

1 колба 0,05 N 3 колба 0,2 N

2 колба 0,1 N 4 колба 0,4 N

В каждую колбу добавьте по 3 г активированного угля. Затем все колбы поставьте на взбалтывание в течение 15 минут для достижения адсорбционного равновесия.

2.1.2 Для уточнения начальных концентраций в другие четыре колбы отмерьте пипеткой следующие объемы растворов CH3COOH

1 колба 50 мл 0,05 N 3 колба 10 мл 0,2 N

2 колба 25 мл 0,1 N 4 колба 5 мл 0,4 N

Начальную концентрацию растворов уксусной кислоты определите титрованием их 0,1 N раствором NaOH (индикатор фенолфталеин) и выразите в моль/л. Затем рассчитайте содержание (х1) уксусной кислоты в миллимолях на 100 мл раствора для каждой колбы. Полученные данные занесите в табл. 1

Таблица 1

Данные для построения изотермы Фрейндлиха

№ п/п	Начальная концентрация CH3COOH, [моль/л] (на этикетках)	Начальная концентрация CH3COOH, [моль/л] (точная)	Число ммоль CH3COОH в 100 мл до адсорбции (х1)	Число ммоль CH3COOH в 100 мл в равновесии (х2)	Х = Х1 - Х2	Удельная адсорбция	lg	lgc
1	0,05
2	0,1
3	0,2
4	0,4

После взбалтывания с активированным углем 2.1.1 отфильтруйте раствор. От фильтрата каждой колбы отберите пипеткой пробу для определения в ней титрованием равновесной концентрации (с) уксусной кислоты. Объемы проб возьмите согласно 2.1.2. По данным титрования рассчитайте равновесные концентрации в моль/л для каждой колбы и найдите их логарифмы. Затем определите число миллимолей (х2) уксусной кислоты в 100 мл раствора при адсорбционном равновесии в каждой из колб. Полученные результаты занесите в табл. 1.

Рассчитайте количество миллимолей (х) уксусной кислоты, адсорбированное активированным углем, в каждой колбе.

После чего найдите значение удельной адсорбции и lg для каждой колбы. Согласно 2.1.1, m = 3 г. Полученные данные занесите в таблицу.

По данным таблицы постройте график изотермы адсорбции Фрейндлиха в логарифмической форме lg = lgK + nlgc.

Для этого по осям абсцисс и ординат отложите в одинаковых масштабах значения и lg (см. рис. 1.4).

По парам значений и lg нанесите точки и проведите прямую, выражающую зависимость lg от . Затем определите постоянные К и n.

2.2 Форма отчёта

1) Название лабораторной работы.

2) Уравнение изотермы адсорбции Ленгмюра и Фрейндлиха.

3) Таблица 1 - Данные для построения графика изотермы Фрейндлиха при адсорбции уксусной кислоты на активированном угле.

4) График логарифмической формы уравнения изотермы адсорбции Фрейндлиха по данным таблицы.

5) Значение постоянных n и К.

Вопросы для самопроверки

молекулярная адсорбция адсорбат

1. Что называется адсорбцией?

2. Какими уравнениями описывается изотерма адсорбции?

3. Каковы основные допущения теории Ленгмюра?

4. Методика выполнения эксперимента.

5. Как найти К и п в уравнении Фрейндлиха?

6. Чем отличается физическая и химическая адсорбция?



Литература

1. Зимон А. Д. Коллоидная химия. М.: Агар, 2007. 344 с.

2. Балезин Б. В., Ерофеев Н. И., Подобаев П. Ф. Основы физической и коллоидной химии. М.: Просвещение, 1975. 398 с.

3. Хмельницкий Р. А. Физическая и коллоидная химия. М.: Высшая школа, 1988. 400 с.

4. Белик В. В., Киенская К. И. Физическая и коллоидная химия. М.: Изд. центр «Академия», 2005. 288 с.

5. Кругляков П. М., Хаскова Т. Н. Физическая и коллоидная химия. М.: Высшая школа, 2007.

6. Сумм Б. Д. Основы коллоидной химии. М.: Академия, 2006. 240 с.

7. Практикум по коллоидной химии: Учебное пособие / Под ред. М. И. Гельфмана. СПб.: Лань, 2005.

Размещено на Allbest.ru

...