Адсорбция. Поверхностные явления

При обменной адсорбции избирательное поглощение одного из ионов электролита, находящегося в растворе, сопровождается одновременным вытеснением другого иона того же знака из поверхности адсорбента. Обмен ионами протекает в строго эквивалентных количествах, поэтому электронейтральность на границе раздела фаз не нарушается. Опыт показывает, что обменная адсорбция протекает более медленно, чем обычная, и ее можно рассматривать как хемосорбционный процесс.

Мерой степени взаимного обмена ионов служит свободная энергия образования ионнообменника ( Д F), выраженная уравнением изотермы обмена :

- Д F =RTlgK5.9

где К -- константа ионного равновесия, определяющая соотношение ионов в поглощенном соотношении при заданной концентрации.

Если при обменной адсорбции взамен поглощаемого иона нейтральной соли адсорбент отдает в раствор эквивалентное количество ионов водорода или гидроксида, такая адсорбция носит название гидролитической. Например, адсорбция на угле неорганических нейтральных солей (NaCl, KC1, KNO₃) сопровождается подщелачиванием, т. е. в данном случае по преимуществу адсорбируются анионы, а в раствор поступают ионы ОН^-. К гидролитической адсорбции относятся все случаи обменного выделения адсорбентом ионов Н⁺ или ОН^- независимо от того, образовались ли эти ионы в результате тех или иных поверхностных процессов на адсорбенте или же содержались в нем заранее как составная часть молекул. Так, глинистые минералы (каолинит, монтмориллонит) могут участвовать в обменной адсорбции своими Н⁺- ионами.

Гидролитическая адсорбция имеет большое значение в почвенных условиях, а также в корневом питании растений. На основе представлений об обменной адсорбции К. К. Гедройц создал свое учение о почвенном поглощающем комплексе, которое имеет важное значение для разрешения проблемы повышения плодородия почв. На основании полученного им большого экспериментального материала Гедройц установил, что поглощение иона почвой из раствора сопровождается выходом из нее другого иона в строго эквивалентных количествах. По Гедройцу, носителем обменной адсорбции в почве является почвенный поглощающий комплекс, который представляет собой высокодисперсную смесь нерастворимых в воде алюмосиликатных, органических и органоминеральных соединений. Многочисленными экспериментами Гедройц доказал, что в таком обмене участвуют только катионы, причем обменная способность их тем выше, чем больше валентность (в пределах ионов одной валентности тем выше, чем больше атомная масса).

Обобщая данные изучения ионного обмена в почве можно сказать, что:

а) обменная способность иона тем выше, чем больше его степень окисления,

б) у ионов одной валентности обменная способность возрастает с увеличением массы иона,

в) обмен ионами идет в строго эквивалентных количествах.

По интенсивности поглощения кислыми почвами, еще К.К. Гедройц экспериментально установил ряд катионов:

< Na⁺< NH₄⁺ < K⁺< Mg²⁺ < Rb⁺

< Ca²⁺< Cd²⁺ < Co²⁺< Al³⁺< H⁺

Представления Гедройца о катионном обмене в почвах легли в основу современного учения о поглотительной способности почвы, подвижности питательных веществ в почве, механизме поглощения почвами катионов и анионов и закономерностях структурообразования почвы как одного из факторов ее плодородия. По Гедройцу, анионы Cl--, NO₃--, SO₄^2-- почти не поглощаются почвой. Поэтому считается, что азотное удобрение лучше вносить в виде аммиачной воды, так как нитратный азот селитры легко вымывается. От природы поглощенных ионов зависят агротехнические свойства почвы.

Для снижения жесткости технических вод, которая в основном обусловливается присутствием солей кальция и магния, в технике применяются либо естественные силикаты -- цеолиты и глаукониты, либо искусственные алюмосиликаты щелочных металлов, называемые пермутитами. Схематически обменное действие пермутита можно представить следующим образом:



Применение пермутитов позволяет устранить жесткость воды, но не освобождает воду от всех катионов и анионов. Практически полное очищение воды от посторонних катионов было достигнуто лишь в недавнее время путем применения ионообменных смол. Эти смолы или иониты получают введением ионогенных групп (SO₃H, COOH, NH₂) в скелет углеводородных цепей высокополимерных соединений. Одни смолы имеют кислотный характер (поверхность их заряжена отрицательно) и потому обменно адсорбируют только катионы с заменой любого из них на ион водорода. Такие адсорбенты получили название катионитов. Другие смолы, имеющие основной характер, получили название анионитов. Эти адсорбенты адсорбируют из растворов только анионы в обмен на ионы ОН^-.Пропуская воду через особые фильтры, заполненные тонко измельченными катионитом и анионитом, ее полностью очищают от всех катионов и анионов. Очищенная таким образом вода нисколько не уступает по чистоте дистиллированной воде, т. е. очищенной путем перегонки. Очистка воды с применением ионитов может быть представлена следующей схемой:

При очистке воды катионит и анионит следует брать в эквивалентных соотношениях.

Для регенерации, т. е. восстановления уже отработанных катионитов, обычно применяют 3--5%-ные растворы серной или соляной кислоты. В результате этого катиониты «заряжаются» ионами водорода:

Для восстановления анионитов применяют чаще всего 5%-ный раствор NaOH или КОН:

Возможность получать при помощи ионообменных смол очищенную воду имеет большое значение для питания котлов высокого давления, а также в ряде производств (сахарной промышленности, пивоварения, химии чистых реактивов, производстве фототоваров, лекарственных препаратов). Особенно большое значение ионообменные смолы приобрели за последнее время в винодельческой промышленности. С их помощью производят удаление излишков Fe³⁺, Cu²⁺, Ca²⁺, вызывающих помутнение вина, а также обеспечивают сусло вина. В молочной промышленности иониты широко используются для изменения солевого состава молока. Известно, что коровье молоко богаче женского содержанием соответствующих солей и отличается характером створаживания, что зависит от соотношения кальция и казеина. Удаляя из коровьего молока с помощью ионообменных смол избыток кальция, его делают вполне пригодным для питания грудных детей.

В свое время было предложено несколько уравнений, описывающих обменную адсорбцию. Наиболее точным оказалось теоретически выведенное Б. П. Никольским уравнение, которое имеет следующий вид:

5.10

где Г₁ ,и Г₂ -- количества поглощенных ионов, выраженные в моль на 1 кг адсорбента, С₁ и С₂ -- концентрации или активности соответствующих ионов в растворе; Z₁ и Z₂ -- валентности ионов; К -- константа обмена.

Константа ионного обмена К определяет соотношение ионов в поглощенном состоянии при заданной концентрации в растворе и должна заметно отличаться от единицы.

Вид адсорбции, когда на твердом адсорбенте адсорбируются преимущественно только ионы одного типа, получил название специфической адсорбции или адсорбции потенциал-определяющих ионов.

В этом случае катионы (или анионы) поглощаются из раствора и необменно фиксируются на поверхности адсорбента, сообщая поверхности свой заряд. Специфическая адсорбция имеет особенно большое значение в коллоидных системах при образовании так называемого двойного электрического слоя.

Процессы специфической адсорбции широко представлены в биологических объектах и в почвах. Согласно С. Н. Алешину, ион водорода (протон) в отличие от других катионов может адсорбироваться многими минералами необменно, что играет большую роль в выветривании различных горных пород и образовании обменной почвенной кислотности.

На адсорбционных явлениях основан важнейший метод анализа сложных смесей -- хроматография.

В зависимости от механизма адсорбции растворенного вещества адсорбционная хроматография может быть разделена на два подвида: молекулярная хроматография и ионообменная хроматография. С помощью молекулярной - разделяют неэлектролиты в неводных растворах. Ионообменная хроматография используется для разделения ионов. Наши знания об антибиотиках, витаминах, алкалоидах, а также о динамике обмена веществ в растениях почти целиком получены методами хроматографии. Для хроматографического анализа требуются очень незначительные количества исследуемого вещества -десятые доли миллиграмма или микрограмма.

Адсорбция и биологические процессы

Явления адсорбции чрезвычайно широко распространены в природе. Там, где соприкасаются газы (или пары), жидкости и твердые тела, имеют место адсорбционные процессы. Почва хорошо поглощает (адсорбирует) не только растворенные в воде органические и минеральные соединения, но и воздух, углекислоту, пары воды, аммиак. Поглощение корнями питательных элементов из почвы начинается с их адсорбции на поверхности корневых волосков и тонких неопробковевших корней. Усвоение растением углекислого газа при фотосинтезе начинается с адсорбции СО₂ на внутренней поверхности листа. Превращения поглощенных солей и углекислоты связаны с явлениями адсорбции и десорбции на протоплазматических структурах и поверхностях клеточных органелл, пластид, митохондрий, микросом.

Явления адсорбции играют очень большую роль также и в жизнедеятельности животных организмов. Роль адсорбции обусловлена наличием в организме огромного количества самых разнообразных поверхностей раздела -- стенок сосудов, поверхности клеток, клеточных ядер и вакуолей, коллоидных частиц протоплазмы и, наконец, поверхности раздела между организмом и средой. Особенно важна функция поверхности раздела между организмом и средой у низших организмов и организмов, живущих в воде, так как этой поверхности принадлежит существенная роль в процессах питания и обмена веществ. Исследования последних лет показали, что пищевые вещества, как правило, являются поверхностно-активными, и потому первым этапом их усвоения является адсорбция, а процесс их химического превращения уже вторичен.

Чтобы наглядно представить роль и значение адсорбционных процессов, протекающих в животном организме, рассмотрим адсорбционные возможности эритроцитов крови человека.

Исследования показали, что эритроциты являются переносчиками различных веществ, в том числе аминокислот, которые они разносят и передают клеткам и различным тканям организма. Количество эритроцитов в крови взрослого человека примерно 5 000 000 в 1 нм³. У здорового мужчины в среднем на 1 кг массы приходится 450 миллиардов эритроцитов, 27 триллионов на весь организм. Учитывая, что диаметр эритроцита 7--8 мкм, можно легко подсчитать, что общая поверхность эритроцитов всей крови человека составит примерно 3200 м².

Большинство реакций, протекающих в организме, совершается при непосредственном участии ферментов-катализаторов. Исследования показали, что первые стадии действия любого фермента сводятся к адсорбции субстрата на поверхности ферментного комплекса, и только после этого фермент проявляет свое специфическое каталитическое действие.

Адсорбционная способность может быть увеличена, если адсорбент имеет пористую структуру. Пористые адсорбенты бывают как минеральные , так и органичсекие. Минеральные - широко применяются для осветления и стабилизации фруктово-ягодных соков , растительных масел ,очистки питьевой и технической воды , в качестве осушителей пищевых продуктов и др.

Как ранее было сказано, при изучении адсорбции веществ на жидких поверхностях наиболее удобным методом является измерение поверхностного натяжения жидкостей, так как мерой адсорбции на границе раздела жидкость - газ и жидкость-жидкость является уменьшение поверхностного натяжения с увеличением концентрации раствора.

Величину адсорбции на жидкой поверхности можно определить, измерив поверхностное натяжение, для чего существует несколько различных методов.

Важнейшими из них являются следующие: метод капиллярного поднятия, сталагмометрический метод, метод наибольшего давления пузырьков, метод отрыва кольца.

В данном практикуме предполагается определение поверхностного натяжения с последующим расчетом величины адсорбции на жидких адсорбентах методом наибольшего давления пузырьков воздуха ( метод Ребиндера ) и метод капиллярного поднятия жидкости..

Метод Ребиндера основан на измерении давления Р, необходимого для выделения воздуха из стеклянного капилляра в жидкость ( воду ) и зависит от радиуса капилляра, через который проскакивает пузырек.

В качестве стандарта используют чистые жидкости которые при постоянной температуре имеют постоянную величину поверхностного натяжения. Например, при 20^оС коэффициент поверхностного натяжения ( сигма - ) равен: для воды 72,75; ртути - 475,00; этилового спирта - 22,0; бутилового спирта - 24,60*10 -³Н/м. (см. Приложение табл. 4).

VІ. ЗАДАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ

ЗАДАНИЕ 1. Определение величины адсорбции поверхностно-активных веществ на жидкой поверхности методом Ребиндера.

Цель работы.

1. Освоить методику определения поверхностного натяжения жидкостей по методу Ребиндера.

2. Определить поверхностное натяжение растворов бутилового спирта разных концентраций.

3. Рассчитать величину адсорбции бутилового спирта на воде и построить изотермы адсорбции и поверхностного натяжения.

4.Сделать выводы о принадлежности бутилового спирта к поверхностно-активным веществам (ПАВ).

ЗАДАНИЕ 2. Определение поверхностного натяжения и установление влияния длины цепи на поверхностное натяжение алифатических спиртов.

Цель работы

1. Освоить методику определения поверхностного натяжения жидкостей по методу Ребиндера ( ).

2. Определить поверхностное натяжение спиртов при постоянной температуре.

3. Изобразить графически зависимость числа атомов углерода от поверхностного натяжения.

4. Сделать вывод об экспериментальном подтверждении правила Траубе-Дюкло.

ЗАДАНИЕ 3. Определение величины адсорбции поверхностно-активных веществ на жидкой поверхности методом поднятия жидкости в капилляре.

Цель работы.

1. Освоить методику определения поверхностного натяжения по методу капиллярного поднятия жидкостей.

2. Определить поверхностное натяжение растворов бутилового спирта разных концентраций.

3. Рассчитать величину адсорбции бутилового спирта на воде и построить изотермы адсорбции и поверхностного натяжения.

4.Сделать выводы о принадлежности бутилового спирта к поверхностно-активным веществам (ПАВ).

ЗАДАНИЕ 4. Определение поверхностного натяжения и установление влияния длины цепи на поверхностное натяжение алифатических спиртов методом поднятия жидкости в капилляре.

Цель работы

1. Освоить методику определения поверхностного натяжения й по методу капиллярного поднятия жидкостей ( ).

2. Определить поверхностное натяжение спиртов при постоянной температуре.

3. Изобразить графически зависимость числа атомов углерода от поверхностного натяжения.

4. Сделать вывод об экспериментальном подтверждении правила Траубе-Дюкло.

ЗАДАНИЕ 5. Определение величины адсорбции уксусной кислоты на угле или почве.

Цель работы.

1. Освоить методику определения величины адсорбции из растворов на твердом адсорбенте.

2. Определить величину адсорбции уксусной кислоты на угле или почве из растворов разной концентрации.

3.Построить изотермы адсорбции по Ленгмюру и Фрейндлиху, определить максимальную адсорбцию и константы адсорбции.

ЗАДАНИЕ 6.

Определение содержания ионов в пробе питьевой или технической воды в пересчете на анион ОН^- методом ионного обмена.

Цель работы.

1. Изучить методику ионообменного метода исследования ( . ).

2. Определить общее содержание анионов в воде в пересчете на ОН^-- ион с помощью анионита ЭДЭ-10П.

3.делать выводы о возможности использования проанализированной воды в питьевых или технических целях.

МЕТОДИКИ ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТ

Задание 1.Определение величины адсорбции поверхностно- активных веществ на жидкой поверхности методом Ребиндера

В термостат Т-прибора для определения поверхностного натяжения помещают пробирку П, заполненную испытуемой жидкостью и закрывают ее пробиркой с капилляром. Пробирка П при помощи бокового отростка соединяется с манометром М и аспиратором С. При истечении воды из аспиратора С в системе создается разряжение. Величину давления измеряют манометром М ( cм. рис. 5.9).

При определении постоянной капилляра пробирку П заполняют дистиллированной водой, при этом конец капилляра должен слегка касаться поверхности жидкости (не глубже, иначе нужно вводить поправку на погружение). После установления постоянной температуры выпускают воду из аспиратора с такой скоростью, чтобы воздух проскакивал отдельными пузырьками. В момент проскакивания пузырька замечают разность высоты столбов в левом и правом коленах манометра (h_л и h_n) и записывают значения Р_о=(h_{л --}h_n). Заменяют дистиллированную воду в пробирке на испытуемую жидкость(растворы бутилового спирта различных концентраций),затем, предварительно промыв ею пробирку и капилляр, точно так же измеряют Р_х. Результаты измерений записывают в табл. 5.2

Таблица 5.2 Данные для определения поверхностного натяжения

Исследуемая жидкость	С, кмоль/м3	Показание манометра	Р = Дh Дh = /hл -hn/	у, Н/м
Н2О	0,000	1…1…	1…
		2…2…	2…Р0 =
		3…3…	3…
Бутиловый спирт	0,031	1…1…	1…P1 =
		2…2…
		3…3…
	0.062	…. ….	Р2=
	0.125	…. ….	Р3=
	0.250	………	Р4 =
	0.500	………	Р5 =
	1.000	………	Р6 =

На основании экспериментальных данных рассчитывают поверхностное натяжение исследуемой жидкости по следующей формуле:

_х = К Р_Х или _х =₀ 5.1

По данным таблицы 5.2 и 5.3, вычисляют величину адсорбцию по уравнению Гиббса (ур.5.6);

где С_Р - определяется как С_Р(1) =, С_{Р( 2)} = и тд.

Д - рассчитывается - Д₁ = ₁-₀, Д₂ = ₂ - ₁ и тд

ДС - находится ДС₁=С₁ - С₀ , ДС₂ =С₂ - С₁ и тд.

Результатов расчетов записывают в табл. 5.3.

Таблица5.3

С, кмоль/м3	Ср, кмоль/м3	ДС	Ду	Д/ДС	Г, кмоль/м3
1	2	3	4	5	6
0,000
0,031
0,062
0,125
0,250
и т.д.

На основании данных табл. 5.2 и 5.3 строят изотермы адсорбции и поверхностного натяжения, откладывая по оси абсцисс значения равновесных концентраций растворов, а по оси ординат - величины адсорбции Г в кмоль/м³ и поверхностного натяжения () в Н/м.В заключении по характеру изменения делают вывод о принадлежности бутилового спирта к ПАВ. Если Ду< 0, а Г будет (+),вещество накапливается в поверхностном слое и является поверхностно - активным (ПАВ).

Если Ду >0, Г будет отрицательной - вещество поверхностно - неактивно.

ЗАДАНИЕ 2.Определение поверхностного натяжения 0,1 М раствораспиртов жирного ряда С₂Н₅ОН, С₃Н₇ОН, С₅Н₁₁ОН, и т.д. проводят методом Ребиндера (см. методику задания 1).

Результаты измерений заносят в табл. 5.4.

Затем рассчитывают поверхностное натяжение спиртов по формуле (5.11) и по результатам строят график, откладывая на оси абсцисс число атомов углерода, а на оси ординат - значения . Понятие в разбавленных растворах может служить мерой поверхностной активности. Найдя последовательное отношение спиртов, необходимо показать, во сколько раз уменьшается поверхностное натяжение с удлинением углеродной цепи на группу - СН₂ -, т.е., соблюдается ли правило Траубе-Дюкло (с увеличением длины углеводородной цепи на -СН₂ -адсорбционная активность возрастает в 3-3,2 раза.

Таблица 5.4. Данные для определения поверхностного натяжения

Исследуемая жидкость	С, кмоль/м3	Показание манометра	Р = Дh Дh = /hл -hn/	, Н/м
Н 2О	0,000	1…1…	1
		2…2…	2…Р0=
		3…3…	3…
С2Н5ОН	0,1	1…1…	Р 1= Дh1ср
		2…2…
		3…3…
С3Н7ОН	0,1	…. ….	Р2 …
С4Н9ОН	0,1	…. ….	Р3
С5Н11ОН	0,1	………	Р4
……….		………	Р5
…………		………	Р6

ЗАДАНИЕ 3. Определение величины адсорбции поверхностно-активных веществ на жидкой поверхности методом поднятия жидкости в капилляре.

В стакан на 50 см³ наливают с помощью цилиндра 20-25 см³ дистил. воды , опускают капилляр, который должен слегка касаться поверхности жидкости и с помощью измерительной линейки измеряют уровень поднятия жидкости в капилляре.

Опыт повторяют с исследуемыми жидкостями ( растворами бутилового спирта). Данные заносят в таблицу 5.5.

Таблица 5.5 Данные для определения поверхностного натяжения

Исследуемая жидкость	С, кмоль/м3	Показание масштабной линейки, hм	Масса 10см3жидкости, m, кг	Плотность, уд.вес ж-ти, dкг/м3	, Н/м
Н2О	0,000	1……	…
		2… h0		1000
		3……	…
Бутиловый спирт	0,031	1……	m1 =
		2……
		3……
	0.062	…. ….	m2=
	0.125	…. ….	m3=
	0.250	………	m4 =
	0.500	………	m5=
	1.000	………	m6 =

Из формулы

= К hgd ( 5.12)

рассчитывают К- постоянную капилляра по стандартной жидкости( дистил.воде) по уравнению

К= _0//h₀gd₀ (5.13)

найдя ( в зависимости от температуры) значение ₀ из таблицы (см. Приложение табл. )

g- сила тяжести- величина постоянная и равна 9,8 м/сек

d₀ - плотность дистил. воды равная 1г/см³ = 1000 кг/м³

h_{0 -} уровень поднятия воды в капилляре.

Для определения d_х - плотностей исследуемых жидкостей поступают следующим образом:

-взвешивают сухой стакан на 50 см³ ( подсушив его фильтровальной бумагой (m₀ );

-затем , залив в него 10 см³ ( поочередно исследуемых растворов ) - снова проводят взвешивание (m_х=m_1,, m₂, …) Данные записывают в таблицу 5.5.

- плотность рассчитывают по формуле :

d = m_х-m₀ /V (5.14)

где V= 10 см³ =1*10^-5м³

Поверхностное натяжение исследуемых жидкостей ( растворов бутилового спирта ) рассчитывают по формуле (5.12).

По данным таблицы 5.5 и 5.6, вычисляют величину адсорбцию по уравнению Гиббса (ур.5.6);

где С_Р - определяется как С_Р(1) =, С_{Р( 2)} = и тд.

Д - рассчитывается - Д₁ = ₁-₀, Д₂ = ₂ - ₁ и тд

ДС - находится ДС₁=С₁ - С₀ , ДС₂ =С₂ - С₁ и тд.

Результаты расчетов записывают в табл. 5.6.

Таблица5.6

С, кмоль/м3	Ср, кмоль/м3	ДС	Ду	Д/ДС	Г, кмоль/м3
1	2	3	4	5	6
0,000
0,031
0,062
0,125
0,250
и т.д.

На основании данных табл. 5.5 и 5.6 строят изотермы адсорбции и поверхностного натяжения, откладывая по оси абсцисс значения равновесных концентраций растворов, а по оси ординат - величины адсорбции Г в кмоль/м³ и поверхностного натяжения () в Н/м.В заключении по характеру изменения делают вывод о принадлежности бутилового спирта к ПАВ. Если Ду< 0, а Г будет (+),вещество накапливается в поверхностном слое и является поверхностно - активным (ПАВ).

Если Ду >0, Г будет отрицательной - вещество поверхностно - неактивно.

ЗАДАНИЕ 4.Определение поверхностного натяжения и установление влияния длины цепи на поверхностное натяжение алифатических спиртов методом поднятия жидкости в капилляре.

Опыт проводят согласно методике , описанной в задании 5.3.

Таблица 5.7 Данные для определения поверхностного натяжения

Исследуемая жидкость	С, кмоль/м3	Показание масштабной линейки, hм	Масса 10см3жидкости, m, кг	Плотность, уд.вес ж-ти, dкг/м3	, Н/м
Н 2О	0,000	1……	…
		2… h0		1000
		3……	…
С2Н5ОН	0,1	1……	m1 =
		2……
		3……
С3Н7ОН	0,1	…. ….	m2=
С4Н9ОН	0,1	…. ….	m3=
С5Н11ОН	0,1	………	m4 =
……….		………	m5=
…………		………	m6 =

Результаты измерений заносят в табл. 5.7.

Затем рассчитывают поверхностное натяжение спиртов по формуле (5.12) и по результатам строят график, откладывая на оси абсцисс число атомов углерода, а на оси ординат - значения .

Понятие в разбавленных растворах может служить мерой поверхностной активности.

Найдя последовательное отношение спиртов, необходимо показать, во сколько раз уменьшается поверхностное натяжение с удлинением углеродной цепи на группу - СН₂ -, т.е., соблюдается ли правило Траубе-Дюкло (с увеличением длины углеводородной цепи на -СН₂ -адсорбционная активность возрастает в 3-3,2 раза.

ЗАДАНИЕ 5. Определение величины адсорбции уксусной кислоты на угле или почве

Для изучения адсорбции уксусной кислоты активизированным углем или почвой определяют ее концентрацию в испытуемом растворе методом титрования до и после адсорбции.

В титровальные колбы отбирают по 10 см³ растворов, добавляют к ним 1-2 капли раствора фенолфталеина и титруют из бюретки 0,1 н раствором щелочи до появления слабой малиновой окраски, не исчезающей в течение одной минуты. Титрование каждого раствора следует проводить в 2-3-х кратной повторности.

Расчет концентрации кислоты в растворах осуществляют, используя усредненные данные результатов титрования, по формуле:

С _К = 5.15

где: С_к - молярная концентрация эквивалента кислоты, моль/дм3;

С_щ - молярная концентрация эквивалента щелочи, моль/дм³;

V_к - объем кислоты, см³;

V_щ - объем щелочи, см³.

Адсорбцию проводят в отдельных колбах, куда помещают по 1 г активированного угля или по 10 г почвы, заливают 50 см³исходных растворов уксусной кислоты и содержимое перемешивают или встряхивают.

Затем адсорбент отфильтровывают через двойной складчатый фильтр, а фильтрат используют для титрования. Результаты титрования заносят в табл. 5.8.

Таблица 5.8 Результаты титрования при адсорбции.

Раствор N по порядку	До адсорбции	После адсорбции
	Измерение, Vщ	Ск	Измерение, Vщ	Ск	Г
	1	2	среднее		1	2	среднее

и по данным рассчитывают величину адсорбции по уравнению Ловица (см ур. 5.8)

При изучении адсорбции из растворов для нахождения константы адсорбции удобнее применять графические выражения уравнения Фрейндлиха и Ленгмюра (см ур. 5.3 -5.5, рис 5.2, 5.3 )

Значение константы К и 1/n находят из графика изотермы адсорбции по Фрейндлиху (см ур. 5.3-5.4, рис 5.3 ) откладывая на оси абцисс значения lgC на оси ординат -lgХ / m.

ЗАДАНИЕ 6. Определение содержания ионов в пробе питьевой или технической воды в пересчете на анион ОН^-

Для определения общего количества анионов в исследуемом растворе, в основном, используются аниониты, которые предварительно переводят в ОН^- форму. Для этого через предварительно набухшей под водой анионит ЭДЭ-10П, находящийся в ионообменной колонке, пропускают 10 см³1 н раствора NaОН.

Затем анионит отмывают от не поглощенных ионов ОН^- небольшими порциями дистиллированной воды до отрицательной реакции по фенолфталеину. Для проверки на полноту промывания каплю фильтрата помещают на предметное стекло и добавляют к ней одну каплю фенолфталеина. Отсутствие окраски при этом свидетельствует о полноте промывания анионита от ионов ОН^-.

Во всех случаях пропускания через ионообменную колонку жидкостей над анионитом следует оставлять столбик жидкости 1-1,5 см, иначе в колонке могут образоваться воздушные пузырьки, которые уменьшат ее емкость и затруднят прохождение жидкости через ионит.

Испытуемую жидкость (питьевую или техническую воду) в объеме 25 см³ пропускают через подготовленный анионит и промывают его 2-3 раза небольшими порциями дистиллированной воды. Фильтрат и промывные воды собирают в мерную колбу объемом 50 см³.

Раствор доводят до метки дистиллированной водой, отбирают 25 см³, добавляют 1-2 капли индикатора (фенолфталеин) и титруют из бюретки 0,01 н раствором кислоты (НCl) до исчезновения малиновой окраски. Титрование повторяют, а данные заносят в табл. 5.10

По среднему значению V_к-ты, пошедшего на титрование, рассчитывают концентрацию ионов ОН^- в пробе из выражения:

С_Н+ *V_к-ты

С_он- = ---------- 5.17

V_пр

Таблица 5.10. Результаты титрования при анионном обмене

Объем отобранного фильтрата Vпр, см3	СН+ , моль/дм3	Объем кислоты, пошедшей на титрование Vк-ты, см3	Спробы на ОН-ион, моль/дм3	Vф, см3	mОН-, г
		1 титрование	2 титрование	среднее

Затем рассчитывают содержание ионов ОН^- ионов в 25 см³ взятой на анализ воды:

m_ОН-= С_ОН ^_V_Ф Э_ОН ^_ 10 ^-3 г / 25 см³ воды. 5.18

Далее выражают m_ОН^_ на 1 дм³ (1 л) питьевой или технической воды и делают вывод об общем содержании анионов в пробе в пересчете на ОН--ион.

На границе раздела раствор сильного электролита и полярное твердое тело (анионит) возникает двойной электрический слой. Ионы внешней обкладки этого слоя, сравнительно слабо связанные с твердой фазой силами электростатического взаимодействия, могут обмениваться с одноименными ионами из раствора в эквивалентных количествах.

Процессы ионного обмена на твердой поверхности характеризуются уравнениям Б.П. Никольского (см. ур -ние 5.10).

При обмене анионов в пробе с анионитом в ОН^- форме происходит процесс, который схематично можно записать:

Cl^- ¦Cl^-

Анионит X OH-- +SO₄^2- Анионит SO₄² + X OH--

CO₃^2- и др ¦ CO₃²

и др.

Концентрация ОН^- анионов определяется титрованием HCl и будет характеризовать суммарное количество анионов в пробе воды в перерасчете на ион ОН^-.

VІІ. Задачи:

1. Пользуясь правилом Траубе, найти, во сколько раз поверхностная активность амилового спирта С5Н11ОН больше поверхностной активности этилового спирта С2Н5ОН? Ответ: ~ в 27 раз.

2. Вычислить величину адсорбции пропилового спирта при 15°С из водного раствора с концентрацией 0,12 кмоль/м3. Поверхностное натяжение воды при 15°С равно 73,5·10-3 н/м, а раствора 63,3·10-3 н/м. Ответ: 4,27·16-6 кмоль/м2

3. По уравнению Лэнгмюра найти величину максимальной адсорбции, если при равновесной концентрации 0,03 кмоль/м3 величина адсорбции равна 6·10-3 кмоль/м2, а К = 0,8. Ответ: 0,166 кмоль/м2.

4. Найти равновесную концентрацию уксусной кислоты, для которой удельная адсорбция по уравнению Фрейндлиха равна 0,012 кмоль/кг, а константы «К» и «n» равны соответственно 0,25 и 3,1. Ответ: С=8,16·10-5 кмоль/м3.

5. Найти длину молекулы масляной кислоты на поверхности раздела вода - воздух, если площадь, занимаемая одной молекулой 3,2·10-19 м2, плотность вещества 9,78·102 кг/м3, а молярная масса кислоты 88,1 а.е.м. Ответ: 4,7·10-10 м.

6. По уравнению Ленгмюра найти величину адсорбции изоамилового спирта при 292 К, если ?? =8,7·10-9 кмоль/м2, К=42, а концентрация 0,35 кмоль/м3. Ответ: Г = 7,18·10-11 кмоль/м2.

7. В 200 мл 0,12 н раствора КОН ввели 5 г воздушно-сухого катионита в Н+-форме. После установления равновесия отфильтровали 100 мл раствора, для нейтрализации которого потребовалось 20 мл 0,12 н раствора НСl. Определите полную обменную емкость катионита. Ответ: 3,84 моль-экв/кг

8. В 150 мл раствора серной кислоты с концентрацией 0,110 моль/л ввели 3 г катионита в Na+-форме. После установления равновесия ионного обмена отобрали 50 мл раствора, для нейтрализации которого потребовалось 22 мл 0,05 М раствора КОН. Рассчитайте полную обменную емкость анионита. Ответ: 9,9 моль-экв/кг.

9. Полная обменная емкость сухого катионита в К+-форме равна 4,8 моль-экв/кг. Определите предельно возможную массу кобальта (II) и бария (II), которую может сорбировать из соответствующих растворов 1 кг исходного ионита. Ответ: 141,4 г кобальта, 329,6 г бария.

VIІІ. Тестовый контроль:

1. Поглощение вещества всей массой адсорбента называется:

1) адсорбцией, 2) абсорбцией 3) сорбцией 4) десорбцией.

2. Поглощение вещества поверхностью адсорбента называется

1) адсорбцией 2) абсорбцией 3) сорбцией 4) десорбцией.

3. При физической адсорбции частицы удерживаются на поверхности

адсорбента за счет:

1) химического взаимодействия

2) межмолекулярных сил Ван-дер-Ваальса

3) проникновения в поры адсорбента.

4. Адсорбция - экзотермический процесс, поэтому при увеличении

температуры величина адсорбции:

1) уменьшается 2) увеличивается 3) не меняется.

5. Адсорбция газов на твердых адсорбентах - экзотермический процесс, поэтому величина адсорбции при охлаждении:

1) возрастает 2) уменьшается 3) не меняется.

6. Выберите верное утверждение:

1) атомы и молекулы на границе раздела фаз обладают большей энергией по сравнению с атомами и молекулами в глубине фазы

2) атомы и молекулы на границе раздела фаз обладают меньшей энергией по сравнению с атомами и молекулами в глубине фазы.

3) атомы и молекулы на границе раздела фаз и в глубине фазы обладают одинаковой энергией.

7. Величина поверхностной энергии уменьшается при: а) увеличении поверхности; б) уменьшении поверхности; в) увеличении поверхностного натяжения; г) уменьшении поверхностного натяжения

1) б,г; 2) а,в; 3) б,в; 4) а,г.

8. Единицы измерения поверхностного натяжения:

1) Н/м 2)Н/м2 3)Дж/м 4) Дж/моль·К

9.Изотерма адсорбции Ленгмюра характеризуется уравнением

1) Г = ГҐC/(K + C) 2) Г = kc 3) x/m =--kc1/n 4) Г =--Дc·V/m

10. Изотерма адсорбции Фрейндлиха характеризуется уравнением

1) Г = ГҐC/(K + C) 2) Г = kc 3) x/m =--kc1/n 4) Г = Дc·V/m

11. Чем лучше адсорбат растворяется в данном растворителе, тем он

адсорбируется из этого растворителя:

1) хуже 2) лучше 3) растворимость адсорбата не влияет на адсорбцию12. Чем хуже адсорбат растворяется в данном растворителе, тем он:

1) хуже адсорбируется 2) лучше адсорбируется 3) величина адсорбции не зависит от растворимости адсорбата.

13. 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.

14. Согласно правилу Траубе-Дюкло поверхностная активность с

увеличением длины углеводородного радикала на одну (-CH2-)-группу:

1) увеличивается в 3-3.5 раза 2) уменьшается в 3-3.5 раза 3) не изменяется.

15. К ПАВ относятся вещества, которые:

1) увеличивают поверхностное натяжение на границе раздела фаз 2) уменьшают поверхностное натяжение на границе раздела фаз.

16. К ПИВ относятся вещества, которые:

1) увеличивают поверхностное натяжение на границе раздела фаз 2) уменьшают поверхностное натяжение на границе раздела фаз.

17. Среди перечисленных веществ выберите ПИВ: а) NaNO3, б) NaOH, в) пальмитат калия, г) H2SO4, д) бутановая кислота.

1) все; 2) а, б, г; 3) а, б, г, д; 4) в, д.

18. Среди перечисленных веществ выберите ПАВ: а) NaCl, б) желчные кислоты, в) стеарат натрия, г) Na2SO4, д) фосфолипиды.

1) все; 2) б, в, д; 3) а, г; 4) б, в.

19. Ионы электролитов лучше адсорбируются на:

1) полярных адсорбентах 2) неполярных адсорбентах

3) природа адсорбента значения не имеет.

20. Из ионов одинакового заряда максимальную адсорбционную способность проявляют ионы:

1) наибольшего радиуса

2) величина радиуса иона значения не имеет

3) наименьшего радиуса.

21. Из ионов одинакового заряда минимальную адсорбционную способность проявляют ионы

1) наибольшего радиуса

2) величина радиуса иона не имеет значения

3) наименьшего радиуса.22. Адсорбция ионов подчиняется правилу:

1) Панета-Фаянса; 2) Дюкло-Траубе; 3) Ребиндера.

23. Из предложенных ионов: K+, Ca+2, Al+3 - минимальной адсорбционной способностью обладает:

1) K+ 2) Ca+2 3) Al+3 4) адсорбционная способность одинаковая.

24. Из предложенных ионов: K+, Ca+2, Al+3 - максимальной адсорбционной способностью обладает:

1) K+ 2) Ca+2 3) Al+3 4) адсорбционная способность одинаковая.

25. Хуже адсорбируемые вещества перемещаются в хроматографической колонке:

1) медленнее 2) быстрее

Ответы к тесту:

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

2 1 2 1 1 1 1 1 1 3 1 2 3

14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

1 2 1 2 2 1 1 3 1 1 3 2

Размещено на Allbest.ru

...