Методика проведения опыта

Приготовить исходный 0,4 н раствор СН₃СООН и оттитровать его 0,1 н NaOH с фенолфталеином. Приготовить разбавлением исходного раствора по 100 мл растворов следующих концентраций (моль-экв/дм³): 0,2; 0,1; 0,05; 0,025 и 0,0125. В шесть сухих пронумерованных колб с пробками отвесить по 1,5 г активированного угля на технических весах. В каждую колбу влить по 50 мл приготовленных растворов кисло­ты. Интенсивно взболтать и оставить стоять на 20–30 мин, чтобы установилось равно­весие. Взбалтывать растворы каждые 3–5 мин. Приготовить шесть сухих колб с ворон­ками, в которые поместить сухие складчатые фильтры. Растворы отфильтровать, отбрасывая первые порции фильтра (3–5 мл), и фильтрат оттитровать. Титровать каждый раствор до и после адсорбции 2 – 3 раза, используя одинаковые объемы кислоты. Из первых двух растворов с большей концентрацией взять для титрования по 10 мл кислоты, а из последних трех – по 20 мл.

Результаты занести в таблицу по форме:

№ п/п	До адсорбции			После адсорбции			Г, моль/г
	Объем кислоты, мл	Объем щелочи, мл	Концентрация кислоты (С1), н	Объем кислоты, мл	Объем щелочи, мл	Концентрация кислоты (С2), н

Объем кислоты определите по формуле (44)

.

(44)

Массу адсорбированной кислоты рассчитать по формуле (45):

,

(45)

где С₁ – исходная концентрация кислоты (СН₃СООН), н (моль/л, т. к. f(СН₃СООН)=1); С₂ – равновесная концентрация кислоты, н; V – объем раствора, взятый для адсорбции, л; m – масса адсорбента, г, V(NaOH) – объем щелочи, пошедшей на титрование.

Сделайте вывод о зависимости массы адсорбированной кислоты от концентрации этой кислоты.

Смачивание

К явлению адсорбции близки явления смачивания, также определяющиеся интенсивностью взаимодействия между молекулами различных веществ.

Процессы смачивания играют большую роль в биологических системах, в процессах добычи нефти и газа, при обработке ме­талла и эксплуатации оборудования, при изготовлении и исполь­зовании строительных материалов и т. п.

Рассмотрим явления смачивания на примере капли жидкости, нанесенной на поверхность твердого тела, хотя, конечно, можно говорить и о смачивании жидкости жидкостью.

Если молекулы жидкости взаимодействуют с молекулами твердого тела сильнее, чем между собою, то жидкость растекается по поверхности или, как говорят, смачивает ее. Растекание происходит до тех пор, пока жидкость не покроет всю поверхность твердого тела или пока слой жидкости не станет мономолекулярным. Такой случай называется полным смачиванием. Он наблюдается, например, при нанесении капли воды на поверхность чистого стекла.

Если молекулы жидкости взаимодействуют друг с другом значительно сильнее, чем с молекулами твердого тела, растекания не произойдет. Наоборот, жидкость соберется на поверхности в каплю, которая, если бы не действовала сила тяжести, имела бы почти сферическую форму. Случай, близкий к этому, наблюдается при нанесении капли ртути на любую неметаллическую поверхность.

Между этими двумя крайними случаями в зависимости от соотношения интенсивности молекулярных сил, действующих, с одной стороны, между молекулами жидкости и, с другой  между молекулами жидкости и твердого тела, возможны переходные случаи неполного смачивания, когда капля образует с поверхностью твердого тела определенный равновесный угол, называемый краевым углом, или углом смачивания.

На рис. 3 изображены капли, образующие на твердой поверхности острый краевой угол (<90°), краевой угол, равный 90°, и тупой краевой угол (>90°).

Рисунок 3 – Различные случаи неполного смачивания:

а   < 90°; б   = 90^о; в   > 90°.

Следует иметь в виду, что краевой угол, образуемый каплей на поверхности твердого тела, всегда измеряют со стороны жидкости. Полного не смачивания, т. е. случая, когда краевой угол равен 180°, практически никогда не наблюдается, так как между жидкостью и твердым телом всегда действуют силы притяжения, хотя бы и очень малые.

Ниже приведены значения краевого угла, образуемого водой на поверхности различных твердых тел в атмосфере воздуха:

Кварц	Малахит	Галенит	Графит	Тальк	Сера	Парафин
0°	17°	47°	55–60°	69°	78°	106°

Смачивание жидкостью твердого тела можно объяснить как результат действия сил поверхностного натяжения.

Поверхностное натяжение () – определяется особым положением молекул на границе раздела фаз и характеризуется удельной свободной поверхностной энергией (равной работе изотермического и обратимого изменения площади поверхностного слоя в расчете на 1 м²), что равноценно силе действующей тангенциально к поверхности раздела фаз и отнесенной к единице длины этой поверхности

Поверхностные явления вызваны самопроизвольным сниже­нием поверхностной энергии за счет уменьшения поверхност­ного натяжения и границы раздела фаз.

Свойства дисперсных систем обусловлены дисперсностью и гетерогенностью и связаны с поверхностной энергией.

В гетерогенных дисперсных системах дисперсная фаза и диспер­сионная среда ограничены друг от друга поверхностью раздела.

Фаза – это часть системы, однородная по составу и свойствам и отделенная от других частей системы поверхностью раздела (меж­фазной поверхностью).

Гетерогенные химические системы состоят из двух и более фаз и поэтому имеют межфазную поверхность в отличие от гомогенных систем, состоящих из одной фазы и не имеющих поверхностей раздела. В дисперсных гетерогенных системах различают сплошную фазу, представляющую собой дисперсионную среду, и раздробленную на частицы (диспергирован­ную) фазу, называемую дисперсной фазой. Дисперсная фа­за распределена в дисперсионной среде в виде частиц, размер которых превышает ионно-молекулярный уровень.

Реальная межфазовая граница имеет поверхностный слой конечной толщины, не превышающей 1 нм, в пределах которо­го термодинамические параметры (концентрация компонентов, давление, температура и др.) испытывают резкие изменения. Реальную межфазовую поверхность Гиббс заменил на идеализи­рованную поверхность нулевой толщины, назвав ее разделяю­щей поверхностью. Значения термодинамических параметров дисперсной фазы и дисперсионной среды сохраняются посто­янными вплоть до разделяющей поверхности.

Свойства поверхности раздела фаз дисперсных систем резко отличаются от свойств самой фазы; подобные отличия имеют место на границе раздела любых фаз.

Энергетический аспект поверхностного натяжения опреде­ляется удельной свободной поверхностной энергией.

Для того чтобы понять, что собой представляет удельная поверхностная энергия, рассмотрим границу раздела фаз, одна из которых является жидко­стью, другая – газом. Взаимодействие молекул жидкости схематически показано на рис. 4.

Рисунок 5 – Схема образования поверхностного натяжения

Рисунок 4 – Схема образования избытка поверхностной энергии:

А, Б – молекулы в объеме и на поверхности жидкости; В – гребень на поверхности

В глубине жидкости молекула А окружена со всех сторон та­кими же молекулами/воздействие которых взаимно компенсируется. Молеку­лы на поверхности одновременно взаимодействуют с молекулами жидкости и газа: Молекула Б поверхностного слоя взаимодействует со своими соседями, находящимися в газовой среде и в жидкости. Воздействие молекул жидкой фазы на молекулу Б значительно превышает воздействие на нее со стороны молекул газовой фазы. У этой молекулы в отношении молекул газовой фазы сохраняет­ся такая же способность к взаимодействию, как в отношении молекул жидко­сти. Для всех молекул поверхностного слоя нереализованная способность к взаимодействию со стороны одной из фаз (в данном случае газовой) и будет характеризовать свободную поверхностную энергию.

Поверхность раздела фаз обладает избытком нескомпенсирован­ной энергии. Этот избыток в расчете на единицу поверхности и составляет удельную свободную поверхностную энергию. Удель­ная свободная поверхностная энергия не является особой формой энергии, а обусловлена самим положением молекул на границе раздела фаз. Энергетический аспект поверхностного натяжения определяется работой изотермического и обратимого изменения площади поверхностного слоя в расчете на 1м².

Жидкость всегда стремится к тому, чтобы площадь ее сво­бодной поверхности была минимальной. Если на поверхности жидкости образуется гребень В (см. рис. 4), то в соответствии с условием минимальной поверхностной энергии гребень исчезает и поверхность жидкости становится иде­ально гладкой.

Нескомпенсированное межмолекулярное взаимодействие на границе раздела фаз и между молекулами внутри жидкости обус­ловливает возникновение тангенциальной силы. Такая сила, рассчитанная на единицу длины периметра, ограничивающего поверхность жидкости, определяет силовой аспект поверхност­ного натяжения. Поверхностное натяжение жидкости на грани­це с газовой средой обозначено на рис. 4 а.

Рассмотрим, как возникает поверхностное натяжение (рис. 5). Для на­глядности на рисунке показаны только три молекулы на поверхности раздела фаз. Молекула 2, которая первоначально может быть расположена несколько выше молекул 1 и 3, в результате взаимодействия с молекулами внутри жидко­сти будет расталкивать соседние молекулы с силой F. В результате возникает сила, направленная тангенциально поверхности раздела фаз ; эта сила есть поверхностное натяжение.

Удельная свободная поверхностная энергия (энергетический аспект) и тангенциальная сила (силовой аспект поверхностного натяжения) вызваны одной и той же причиной – особым поло­жением молекул на границе раздела фаз и нескомпенсированностью межмолекулярного взаимодействия (см. рис. 4).

Для индивидуальных веществ, например для воды без при­месей, когда межмолекулярное взаимодействие и формирование поверхностного слоя осуществляются одними и теми же молекулами, значения поверхностного натяжения в энергетическом и силовом выражении (их обозначают единым символом ) со­впадают. В подстрочном индексе указывается, на границе каких фаз рассматривается поверхностное натяжение. Так, _жг означа­ет, что речь идет о границе жидкости с газовой средой.