3. Обработка результатов наблюдений и построение

КРИВОЙ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ

Имя кривую осаждения, можно построить кривую распределения частиц данной суспензии по величине эффективных радиусов.

Кривая осаждения дает количество осевшего вещества как функцию времени t (рис.1).

Средняя скорость осаждения для данного момента будет dNt\dt.

Ее можно найти графически, проведя в данной точке касательную к кривой. Возьмем какой-нибудь отрезок времени t1; ему соответствует ордината N1t1, которая в определенном масштабе показывает вес количества вещества, осевшего за время t1.

Это количество осевшего вещества состоит из частичек разного размера. Все эти частички можно разбить на 2 группы: на частички такого размера, которые к данному моменту времени должны полностью выпасть, и частички таких размеров, которые выпали частично, продолжают еще выпадать и будут выпадать в последующие промежутки времени.

nt = P + m,

где P - количество вещества с радиусом частиц выпавших α

m - еще продолжающих выпадать.

По кривой осаждения можно найти эти два слагаемых.

Проведем касательную к кривой в точке N1 до пересечения с осью ординат в точке L1. Через L1 проведем L1N1 параллельно оси абсцисс.

Чтобы определить m, надо скорость осаждения умножить на прошедший отрезок времени.

dQ

m = t -----,

dt

где m - количество вещества осевшего к моменту времени t.

Из чертежа видно, что dQ изображается отрезком N1N1¹,

t -----

dt

dQ

так как ---- = tgФ.

dt

Тогда отрезок ординаты OL дает в соответствующем масштабе количество вещества, состоящего из частичек размером больше или равных такому значению радиуса, которое обеспечивает полное выпадение этих частичек к моменту t1.

Обозначим это значение радиуса через r1, следовательно, OL1 -

количество вещества с частичками радиуса r.

Радиус r1 можно найти из уравнения

3 2 V

r = ---- * ( ------- )^1/2 = C (V)^1/2

(2)^1/2 (D-d)g

где D - плотность вещества частиц;

d - плотность среды;

V - скорость падающей частицы.

Скорость падающей частицы определяют по формуле

H

V = -----.

t

Таким образом, для каждого отрезка времени t можно найти скорость V и радиус r1 тех частичек, которые к данному моменту времени полностью выпадают.

Так как OL1 изображает вес вещества с частичками радиуса r1, которые полностью выпали за время t1, а OL2 -вес вещества с частичками радиуса r2, выпавших за время t2, то, следовательно, L1L2 изображает вес вещества с частичками радиуса r1 и r2.

Для того, чтобы знать как частички разделены по размерам, надо знать зависимость Q2 от r, где Q -количество полностью осевшего вещества с данным интервалом радиуса частичек r. Q выражают не в абсолютных весовых единицах, а в % от общего количества взятого вещества, деля отрезки L1L2, L2L3 и т.д. на отрезок OL , т.е. на ординату, соответствующую той части кривой осаждения, когда кривая делается параллельно оси абсцисс, т.е. когда вещество более не осаждается.

Для построения кривой распределения поступают следующим образом. На кривой осаждения выбирают произвольно ряд точек (обычно 7-8) в тех местах, где кривизна меняется наиболее резко.

Первую точку Мо выбирают там, где кажущаяся прямолинейная часть кривой переходит в криволинейную часть, последнюю там, где кривая переходит в прямую. Через выбранные точки проводят касательные к кривой до пересечения с осью ординат.

Опуская из точек М1, М2, М3,..... перпендикуляры на ось абсцисс, находят t1, t2, t3,....., а затем для каждого ti вычисляют vi и ri.

Одновременно деля отрезки OL1, L1L2, L2L3 на L и умножив результат на 100, получают соответствующие значения ∆Q.

Составляют таблицу.

Таблица обработки результатов опыта

По данным таблицы строят кривую распределения, откладывая на оси абсцисс rср., на оси ординат F(r) = ∆Q/ ∆r, r =r1 - r2. При этом

иметь в виду, что частиц с r=0 не существует, следовательно, кривая

должна начаться с начала координат. Максимум на кривой показывает,

какого размера частицы находятся в наибольшем количестве.

4. ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ РАБОТЫ

Разрешение на выполнение работы дается преподавателем. При работе соблюдать общие меры безопасности работы в химической лаборатории.

5. ПЕРЕЧЕНЬ ВОПРОСОВ, ПРИ ПОДГОТОВКЕ К РАБОТЕ

1. Тепловое движение молекул и Броуновское движение.

2. Диффузия и коэффициент диффузии.

3. Седиментационная устойчивость.

4. Седиментационный анализ.

5. Ультрацентрифуга и ее применение для дисперсного анализа.

6. Суспензии.

ЛИТЕРАТУРА

1. Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии. - М.: Химия, 1964, с. 84-90.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА N 3

ИЗУЧЕНИЕ АДСОРБЦИИ НА ГРАНИЦЕ ТВЕРДОЕ ТЕЛО - ЖИДКОСТЬ

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ АДСОРБЦИИ НА ГРАНИЦЕ ТВЕРДОЕ ТЕЛО -

- ЖИДКОСТЬ

Адсорбция из раствора на твердой поверхности, пожалуй, наиболее важна для коллоидной химии, так как именно она лежит в основе таких важнейших явлений, как образование и разрушение лиозолей, а также их устойчивость.

При рассмотрении адсорбции из раствора на твердом теле принято различать два случая: адсорбцию неэлектролитов, когда адсорбируются молекулы адсорбтива, и адсорбцию электролитов, когда избирательно адсорбируется один из ионов электролита.

Зависимость молекулярной равновесной адсорбции из раствора на твердом теле от концентрации адсорбтива характеризуется обычной изотермой адсорбции.

Изотерма адсорбции на твердой поверхности обычно хорошо описывается уравнением Фрейндлиха.

где: Г - адсорбция, моль\г;

С - равновесная концентрация адсорбтива в растворе (после адсорбции):

в, 1/ n - константы.

Решение уравнения Фрейндлиха проводится на основании измерения адсорбции при различных концентрациях раствора.

2. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ

1. Количественное изучение закономерностей адсорбции органической кислоты на угле.

2. Определение применимости уравнения Фрейндлиха.

3. Определение констант в уравнении Фрейндлиха.

3. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Для выполнения работы необходимо: исходные растворы уксусной (0,4 н) и муравьиной (0,4 н) кислот, активированный уголь, весы с равновесами, титрант - 0,1 н раствор NаОН, спиртовый раствор фенолфталеина, конические колбы емкостью 250 мл ( 12 шт.), мерная колба емкостью 200 мл, мерный цилиндр емкостью 100 мл, колба емкостью 500 мл, пипетки на 5,10,25 мл.

Работу выполняют следующим образом: в колбу на 500 мл наливают 200 мл исходного 0,4 н раствора кислоты и 200 мл дистиллированной воды. Перемешивают содержимое колбы. Полученный раствор имеет концентрацию, равную 0,2 н. Затем мерной колбой выливают 200 мл 0,2 н раствора кислоты в коническую колбу на 250 мл. Аналогично провести разбавление последующих растворов. Таким образом необходимо приготовить шесть растворов с концентрацией, приблизительно равной: 0,4 н; 0,2 н; 0,1 н; 0,05 н; 0,025 н; 0,0125 н.

Определяют точную концентрацию приготовленных растворов титрованием 0,1 н NаОН в присутствии фенолфталеина как индикатора. При этом берут 5,10 мл первого и второго раствора концентрации 0,4 н и 0,2 н соответственно и по 25 мл раствора с меньшей концентрацией.

Титрование каждого раствора проводят 2-3 раза и из полученных результатов берут среднее.

Из приготовленных растворов отбирают мерным цилиндром по 150 мл раствора и переносят в чистые конические колбы, прибавляют в каждую по 1 г угля. Содержимое в колбах энергично взбалтывают в течении 30 минут.

Растворы, в которые был добавлен адсорбент, пропускают через бумажный фильтр и в фильтрате титрованием определяют концентрацию кислоты. Пробы для титрования берут в таких же количествах, как до адсорбции. Результаты опыта заносят в таблицу в следующем виде.

Номер колбы	Концентрация кислоты, моль/л		Г, моль/г	lg C	lg Г
	до адсорбции	после адсорбции

4. РАСЧЕТЫ

Вычисляют количество адсорбированной кислоты, моль/г,

пользуюсь формулой

Со - С

Г = --------- V,

W

где: Со - начальная концентрация кислоты, моль/л;

С - равновесная концентрация кислоты в растворе, моль/л;

V - объем рабочего раствора, л;

W - количество адсорбента, г.

По полученным данным строят изотерму адсорбции, откладывая их на оси ординат Г, а на оси абсцисс - равновесную концентрацию кислоты. Изотерма адсорбции описывается уравнением Фрейндлиха. Для нахождения констант и 1/n проводят логарифмирование уравнения Фрейндлиха:

lgГ = lg в + 1/n lgС

Проводя построение экспериментальных значений С и Г в логарифмических координатах, находят значения lg в и 1/n. При этом lg в отрезок, отсекаемый прямой на оси ординат, а 1/n - тангенс угла наклона прямой к оси абсцисс. Для нахождения тангенса угла наклона нельзя пользоваться транспортиром, его следует рассчитать как отношение отрезков на осях координат, выраженных в

соответствии с масштабом графика.

4. ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ РАБОТЫ

Разрешение на выполнение работы дается преподавателем. При работе соблюдать общие меры безопасности работы в химической лаборатории.

5. ПЕРЕЧЕНЬ ВОПРОСОВ, ПРИ ПОДГОТОВКЕ К РАБОТЕ

1. Молекулярная адсорбция из растворов.

2. Влияние природы среды.

3. Влияние свойств адсорбента и адсорбтива.

4. Влияние времени, температуры и концентрации раствора.

5. Значение адсорбции из раствора в природе и технике.

ЛИТЕРАТУРА

1. Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии. - М.: Химия, 1975, с. 81-85.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА N 4

ИЗУЧЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ И АДСОРБЦИИ

НА ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА ЖИДКОСТЬ-ГАЗ

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Внутреннее давление втягивает молекулы, расположенные на поверхности жидкости, и тем самым стремится уменьшить поверхность до минимальной при данных условиях. Сила, действующая на единицу длины границы раздела и обуславливающая сокращение поверхности жидкости, называется силой поверхностного натяжения, или просто поверхностным натяжением. На поверхностном натяжении растворов сильно оказывается явление адсорбции.

Зависимость между величиной адсорбции Г (моль/см2) и поверхностным натяжением G (эрг/см2) для разбавленных растворов поверхностно-активных веществ описывается уравнением Гиббса.

С dG

Г = - --- * --- ,

RT dC

где: С - молярная концентрация;

R - универсальная газовая постоянная (8,31 *10⁷ эрг/град моль)

Т - абсолютная температура;

dG

--- - поверхностная активность.

dC

Определив экспериментально зависимость поверхностного натяжения от концентрации, т.е. изотерму поверхностного натяжения, и пользуясь уравнением Гиббса, можно найти значение адсорбции при различных концентрациях раствора и рассчитать характеристики поверхностного слоя: предельное значение адсорбции, площадь молекулы в предельно-насыщенном слое, толщину адсорбционного слоя.

2. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ

1. Количественное изучение закономерностей адсорбции.

2. Определение основных характеристик адсорбционного слоя на границе раствор-воздух.

3. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Для выполнения необходимо иметь прибор для определения поверхностного натяжения (прибор Рибендера); поверхностно-активное вещество (0,154 М изоамиловый спирт, 0,5 н бутиловый спирт); мерный цилиндр на 10 мл; бюретки и конические колбы.

Исходный раствор поверхностно-активного вещества и его концентрация указываются преподавателем. Из этого раствора разбавлением вдвое с помощью мерных колб приготавливают еще четыре раствора.

Выполнение работы производится следующим образом.

1. Перед началом работы налить воду в делительную воронку и

проверить установку манометра.

2. Налить дистиллированную воду в сосуд так, чтобы стеклянный капилляр касался ее поверхности.

3. Для того, чтобы создать разряжение в сосуде через кран следует вылить воду из делительной воронки, при этом увеличивается разность между уровнями жидкости в манометре. В момент проскакивания пузырька воздуха через капилляр происходит изменение давления в системе, которое фиксируется по максимальной разности уровней жидкости в манометре - ho. Измерение проводят не менее трех раз и берут в расчет среднее значение.

Скорость проскакивания пузырьков воздуха регулируют краном. Время образования пузырька воздуха должно быть 10-20 секунд.

4. Проводят измерения с исследуемыми растворами поверхностно-активных веществ и замеряют разность уровней жидкости в манометре.

Данные заносят в таблицу в следующем виде.

4. ПОРЯДОК РАСЧЕТА ПРИ ПОСТРОЕНИИ ИЗОТЕРМЫ

АДСОРБЦИИ ГРАФИЧЕСКИМ МЕТОДОМ И НАХОЖДЕНИЕ

ХАРАКТЕРИСТИК ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ

4.1. Расчет величины поверхностного натяжения

Поверхностное натяжение растворов поверхностного-активного вещества различных концентраций вычисляется по формуле:

h

G = Go * --- ,

ho

Go - поверхностное натяжение воды, рассчитанное при температуре (t ⁰C) опыта по формуле Gt =73,5-0,15(t-15);

h - максимальная высота столба жидкости манометрической трубки при работе с исследуемым раствором, см;

ho - максимальная высота столба жидкости при работе с водой, см.

По найденным значениям строят изотерму поверхностного натяжения G=f(c).

4.2. Построение изотермы адсорбции

В любой точке на кривой G=f(c) провести касательную к кривой и прямую, параллельную оси абсцисс.

Из рисунка видно, что dG/ dC = tg α_A = - tgα ; tg α = Z/C, откуда

dG/ dC = - Z / C. Подставив значение dG/ dC в уравнение Гиббса, получим:

С dG Z

Г = - --- * --- = ---.

RT dC RT

Таким путем можно подсчитать величины адсорбции для ряда точек на кривой и по рассчитанным данным построить изотерму адсорбции.

4.3. Расчет величины предельной адсорбции Г_пред

Используется уравнение Ленгмюра Г = Г_пред * (кс/(1+кс)). Уравнение Ленгмюра

может быть представлено в следующем виде:

С С 1

--- = --- + ---

Г Г_пред к Г_пред

Данное уравнение является уравнением прямой в координатах ---= f(c)

Г 1

очевидно, Г = Сtg , - угол наклона прямой к оси абсцисс; --- -

кГ

отрезок, отсекаемый прямой на оси ординат.