Исследование адсорбции неэлектролитов из бинарных растворов на твердых поверхностях
Цель работы: определение гиббсовской (избыточной) адсорбции на твердом адсорбенте из бинарных растворов; расчет гиббсовской адсорбции компонентов раствора по изменению состава раствора при адсорбции; построение изотерм избыточных величин адсорбции и их анализ.
Общие теоретические положения
При адсорбции из разбавленных растворов можно принять, что активность растворителя не меняется. При адсорбции из концентрированных растворов следует учитывать адсорбцию и растворителя, и растворенного вещества.
Об адсорбции из раствора обычно судят по изменению eго состава, который определяют до и после адсорбции одним из аналитических методов. В концентрированных растворах неэлектролитов концентрацию компонентов удобнее выражать в мольных долях х.
Если твердый адсорбент массой m приводится в контакт с раствором, содержащим n0 молей растворителя и растворенного вещества, то в результате адсорбции А1 молей компонента 1 (растворитель) и А2 молей компонента 2 (растворенное вещество) будут находиться на поверхности. Здесь А1 и А2 − моли, приходящиеся на единицу массы твердого сорбента. При равновесии в жидкой фазе остается n1 и n2 молей компонентов 1 и 2.
Тогда общее число молей в системе составит:
n0=n1+n2+A1m+A2m (4.1)
Введем условные обозначения: х01 и х02 − мольные доли компонентов 1 и 2 до адсорбции, которые составят:
(4.2)
(4.3)
х1 и х2 − мольные доли компонентов 1 и 2 после адсорбции, которые равны:
(4.4)
(4.5)
Изменение мольной доли компонента 2 в растворе в результате адсорбции Δх2 можно выразить следующим образом:
(4.6)
или
(4.7)
Левая часть уравнения (4.7) представляет выражение гиббсовской адсорбции, и поэтому
(4.8)
Изотермы, соответствующие уравнению (4.8), называют изотермами состава. Для анализа уравнения (4.8) его удобно записать в виде
(4.9)
Если
>
то Г2
> 0, т. е. гиббсовская, или избыточная,
адсорбция компонента 2 положительна и,
наоборот, при
>
,
Г2
< 0, т. е. гиббсовская адсорбция компонента
2 отрицательна. Так как перед скобкой в
уравнении (4.9)
стоит произведение х1х2,
то кривая
для гиббсовской адсорбции будет иметь
максимум (Г2>0)
или минимум (Г2
< 0).
Если ≈ , то возможно, что гиббсовская адсорбция одного из компонентов при малых концентрациях имеет один знак, а с ростом концентрации может изменить знак на обратный. В точке пересечения изотермы с осью состава будет соблюдаться условие = или Г1 = Г2 = 0 которое отвечает адсорбционной азеотропии, т. е. отсутствию разделения веществ.
ПРИБОРЫ И РЕАКТИВЫ:
Прибор для определения концентрации растворов по показателю преломления (интерферометр или рефрактометр).
Пробирки емкостью 10 или 30 мл с притертыми пробками, 10 шт.
Конические колбы с притертыми пробками емкостью 100 мл.
Мензурка.
пипетка емкостью 5 мл.
Адсорбент, например, активный уголь.
Взаимно смешивающиеся жидкости, например, бензол − этанол.
Порядок выполнения работы:
В
пробирках с притертыми пробками готовят
10 растворов двух жидкостей, изменяя
соотношение компонентов от чистой
жидкости 1 до чистой жидкости 2. В исходных
растворах определяют показатели
преломления
.
В
приготовленные растворы прибавляют
определенную навеску сорбента, например,
1 г активного угля на 10 мл раствора.
Пробирки закрывают притертыми пробками
и оставляют на 1 ч, периодически взбалтывая
содержимое для установления адсорбционного
равновесия. В растворах после адсорбции
определяют показатели преломления
.
Порядок расчета величины гиббсовской адсорбции компонента 2 следующий:
Рассчитывают число молей каждого компонента n01 и n02 в исходной смеси, общее число молей обоих компонентов n0 и мольные доли каждого компонента в исходной смеси до адсорбции x01, x02.
,
, 
(4.10)
, 
, (4.11)
где V1, V2 − объемные количества компонентов 1 или 2 в растворе; ρ1, ρ2 − плотности исходных жидкостей; M1, M2 − молекулярные массы компонентов 1 и 2.
Таблица 4.1.
Данные для расчета гиббсовской адсорбции
По полученным данным строят калибровочный график показателя преломления бинарного раствора от его состава (мольной доли компонента 2).
Из калибровочного графика определяют состав раствора после адсорбции, т. е. мольные доли х1 и х2 компонентов (х1 + х2 = 1).
Рассчитывают разность между мольными долями каждого компонента до адсорбции и после адсорбции:
Знак при значении Δх указывает на отрицательную или положительную величину гиббсовской адсорбции.
По формуле (4.8) рассчитывают гиббсовскую адсорбцию и строят изотермы состава раствора при адсорбции в координатах Г2 = f(x2) или Г1 = f(x1). Анализируют полученные данные.