Контрольные вопросы

1. В чем проявляется особенность поверхностного слоя на границе раздела фаз? Что такое адсорбция?

2. В каких единицах измеряется адсорбция?

3. По какому уравнению можно рассчитать адсорбцию на границе раздела жидкость – газ?

4. Как определить , толщину адсорбционного слоя и площадь, занимаемую одной молекулой на границе жидкость – газ?

5. Один грамм силикагеля имеет поверхность, равную 465 м² . Сколько молекул брома поглощается 1 см² поверхности адсорбента при адсорбции на 10 г силикагеля 5 мг брома?

6. Коробка противогаза содержит 40 г активированного угля. Какое весовое количество хлора может быть поглощено противогазом, если 1 г активированного угля адсорбирует 235 мл хлора при нормальных условиях?

7. Охарактеризуйте понятие «поверхностное натяжение», каковы единицы его измерения?

8. Как рассчитать полную поверхностную энергию? Какие данные для этого необходимы?

Лабораторная работа № 2. Адсорбция и десорбция. Избирательная адсорбция.

Цель работы – качественно проследить адсорбцию нескольких слабоокрашенных растворов и возможность обратного процесса – десорбции; избирательность адсорбции. Ознакомление с хроматографическим методом анализа.

Адсорбция. Концентрирование газообразного или растворенного вещества на границе раздела фаз – на поверхности твердого тела или жидкости – называется адсорбцией.

Адсорбция обусловлена наличием адсорбционных сил, имеющих различную природу. Различают межмолекулярные (ванн-дер-ваальсовы) и химические (ионные, ковалентные) силы у атомов и молекул, находящихся на поверхности.

Вещество, способное поглощать (адсорбировать) другое вещество на своей поверхности, называется адсорбентом.

Адсорбируемое вещество называется адсорбтивом.

В некоторых случаях поглощение, начавшееся на поверхности, распространяется в глубь поглотителя и называется абсорбцией.

Если поглощение сопровождается химическим взаимодействием поглощаемого вещества с веществом поглотителем, то такой процесс носит название хемосорбции.

Адсорбция, абсорбция и хемосорбция объединяются общим понятием сорбции.

Процесс адсорбции характеризуется рядом признаков:

- Обратимость. Частицы в адсорбционных слоях не закреплены жестко, они совершают колебательные движения, то приближаясь к поверхности адсорбента, то удаляясь от нее. Некоторые из них могут выходить за пределы действия сил притяжения адсорбента. В таком случае наблюдается обратный процесс – десорбция, то есть отрыв молекул или ионов адсорбционных веществ от поверхности адсорбента и уход их в окружающее пространство.

Со временем система приходит в состояние адсорбционного равновесия:

Адсорбция Десорбция,

При котором среднее число частиц, покидающих поверхностный слой, становится равным среднему числу адсорбируемых частиц за тот же отрезок времени.

- Адсорбция носит избирательный характер. Например, активированный уголь хорошо поглощает хлор, но не адсорбирует окись углерода.

- Процесс адсорбции экзотермичен и, следовательно, в соответствии с принципом Ле-Шателье, с ростом температуры адсорбция падает. При этом колебание частиц, адсорбированных поверхностью, увеличиваются, в результате равновесие сдвигается в сторону процесса десорбции.

Адсорбция делится на динамическую и статическую. Адсорбция, проводимая при относительном покое или беспорядочном механическом перемешивании, называется статической. Если адсорбция осуществляется в условиях направленного относительного перемещения фаз, то ее называют динамической. Примером такой адсорбции может служить поглощение токсических веществ из воздушного потока слоем активированного угля в противогазе. На этом основано применение различных методов хроматографии.

Хроматографический анализ – физико-химический метод разделения и анализа многокомпонентных смесей. Этот метод основан на распределении компонентов между двумя фазами – неподвижной (адсорбент) и подвижной (элюент), протекающей через неподвижную.

Существует несколько разновидностей хроматографического метода, различающихся между собой агрегатным состоянием фаз, из которых осуществляется поглощение веществ, аппаратурным оформлением процесса, типами поглотителей.

Хроматографическое разделение с использованием стеклянных или пластмассовых колонок называется колоночной хроматографией. Колонки заполняют поглотителем и пропускают через нее смесь исследуемых веществ. Эта смесь может находиться в газовой фазе (газовая хроматография) или в жидкости (жидкостная хроматография). В качестве поглотителей используют твердые материалы, на поверхности которых специальными методами наносят тонкую пленку жидкости.

Хроматографическое разделение веществ может сопровождаться всеми типами сорбционных процессов: адсорбцией, абсорбцией и хемосорбцией.

Выполнение работы.

Приборы: пробирки, воронки, фильтры, активированный уголь,

Реактивы: разбавленные растворы (0,1%-ный) фуксина, метилового оранжевого, 2% раствор сульфата меди , 2% раствор дихромата калия , 2% раствор гидроксида железа , 1% раствор берлинской лазури, 2% раствор уксуснокислого свинца

Опыт № 1. Адсорбция и десорбция.

Выполнение опыта. Для каждой концентрации адсорбата (вещество, которое адсорбируется) при данной температуре существует адсорбционное равновесие

адсорбция десорбция

при котором среднее число частиц, покидающих поверхностный слой, становится равным среднему числу адсорбируемых частиц за тот же отрезок времени.

В пробирки налить по 5 мл сильно разбавленных окрашенных растворов фуксина, метилового оранжевого, сульфата меди, дихромата калия, гидроксида железа, берлинской лазури. В каждую пробирку внести по 1,0 г растертого активированного угля. После взбалтывания в течение 5-10 минут смеси отфильтровать через обыкновенные фильтры. Получим бесцветные фильтраты.

Объясните наблюдаемые явления.

Часть угля с фильтра, через который отфильтровывали смесь угля с фуксином, перенести в пробирку с водой, а другую часть – в пробирку со спиртом и взболтать. Вода в первой пробирке остается бесцветной, во второй – спирт окрасится. Таким образом, фуксин сохранился на поверхности угля, откуда и был извлечен подходящим растворителем, произошла десорбция фуксина.

Опыт № 2. Определение адсорбции различных веществ из растворов углем

Выполнение опыта. В две пробирки налить по 10 мл 2 %-ного раствора уксуснокислого свинца. В первую пробирку добавить раствор дихромата калия. Выпадает объемный осадок . Во вторую пробирку внести 1,0 г растертого активированного угля, взболтать в течение 3-5 минут, затем отфильтровать в чистую пробирку. В фильтрат добавить раствор дихромата калия. Какие изменения происходят в пробирке?

Напишите ионное уравнение качественной реакции на ионы свинца ( ) и объясните наблюдаемое явление.

Опыт № 3. Избирательность адсорбции

Выполнение опыта. Адсорбция носит избирательный характер.

В одну пробирку налить 5 мл слабоокрашенного водного раствора фуксина, в другую такое же количество спиртового раствора фуксина. В обе пробирки внести по 1,0 г активированного угля и взболтать в течение 5 мин. Отфильтровать растворы.

Почему в одном случае адсорбция идет хорошо, а в другом плохо?

Опыт № 4. Хроматографическое разделение солей

Выполнение опыта. В качестве адсорбента используем оксид алюминия. Для проведения опыта возьмем стеклянную колонку. Заполним ее оксидом алюминия слоем около 5 см. В пробирку налить по 1 мл 2% растворов солей меди ( ), железа ( ), кобальта ( ), полученную смесь пропустить через колонку с оксидом алюминия. Указанные ионы будут избирательно адсорбироваться на поверхности зерен оксида алюминия и распределяться в виде окрашенных слоев по высоте адсорбента. Зная, в какой цвет окрашены соли ионов меди, кобальта и железа, укажите, в каком порядке эти ионы адсорбируются из раствора.

Контрольные вопросы

1. Опишите процесс адсорбции.

2. В чем разница между абсолютной и избыточной адсорбцией?

3.Что такое десорбция?

4. Одинаковые объемы 1 М и 0,1 М растворов уксусной кислоты взбалтывались с одинаковыми навесками активированного угля. Одинаковые ли количества уксусной кислоты адсорбировались из обоих растворов?

Лабораторная работа № 3. Получение и свойства коллоидных систем.

Цель работы: Ознакомление с методами конденсации и пептизации. На примере иодида калия и нитрата серебра проследить процесс взаимной коагуляцией.

Коллоидный раствор (золь) состоит из дисперсной фазы и дисперсионной среды. Дисперсная фаза образована коллоидными частицами, называемыми мицеллами.

Мицелла имеет сложное строение. В основе ее лежит нерастворимое в данной дисперсионной среде ядро. Обычно ядро - это микрокристалл или агрегат из микрокристаллов. Поверхность ядра за счет свободной межфазной энергии адсорбирует из окружающей среды ионы в соответствии с правилом Фаянса: на поверхности твердого вещества предпочтительно адсорбируются ионы, способные достраивать его кристаллическую решетку или образующие с ионами, входящими в состав кристаллической решетки, наиболее трудно растворимые соединения. Эти ионы называются потенциалобразующими, так как сообщают частице определенный заряд. При адсорбции ионов снижается межфазная свободная энергия, что приводит систему в устойчивое состояние.

Строение коллоидной частицы имеет следующий вид

Ядром мицеллы является кремневая кислота . На твердой поверхности ядра будут адсорбироваться родственные ионы , которые внедряются в кристаллическую решетку ядра и придают поверхности отрицательный заряд и сообщает коллоидной частице отрицательный заряд. Отрицательно заряженная частица будет притягивать к себе противоположно заряженные частицы, протоны водорода, которые являются противоионами. Противоионы испытывают на себе две силы: электростатическую, притягивающую их к ядру коллоидной частицы, и диффузионную, стремящуюся рассеять их по раствору. В результате совместного действия указанных сил состояние отдельных протонов водорода. Часть из них прочно связана с ядром коллоидной частицы, образуя на нем плотный адсорбционный слой (n-х). Другая часть образует диффузионный слой х - ионную атмосферу частицы.

Совокупность диффузионного и адсорбционного слоев представляет собой двойной электрический слой.

Ионы диффузионного слоя непрерывно обмениваются с одноименными ионами адсорбционного слоя, поэтому их называют обменными.

Ядро с адсорбционным слоем образуют гранулу, а система, состоящая из гранулы и диффузного слоя, называется мицеллой (рисунок 3.3).

Рисунок 3.3. Строение мицеллы кремневой кислоты

В плотном слое потенциалы твердой частицы и жидкости скомпенсированы, а при диффузном строении слоя, которое имеет место жидкости, потенциал твердой частицы компенсируется частично, так как около нее удерживается неподвижным слоем жидкости только часть противоионов.

На границе подвижного и неподвижного слоев возникает разность – потенциалов, которую называют электрокинетическим потенциалом или дзета-потенциал. Следовательно, электрокинетический потенциал, есть разность потенциалов на границе неподвижного слоя жидкости и подвижного диффузионного.

Коллоидные системы обладают различной устойчивостью, одни из них существуют доли минуты, другие сохраняют устойчивость годами. По своей природе коллоидные системы агрегативно неустойчивы. При потере агрегативной устойчивости происходит коагуляция. Коагуляция - нарушение агрегативной устойчивости коллоидной системы в сторону укрупнения частиц за счет их слипания под влиянием молекулярных сил притяжения.

Коагуляция приводит к потере кинетической устойчивости, то есть неспособности укрупнившихся коллоидных частиц равномерно распределяться по всему объему.

Факторы, вызывающие коагуляцию, могут быть самыми разнообразными: изменение температуры, механическое воздействие, облучение, добавление электролитов и другого золя, частицы которого имеют противоположный заряд.

Под действием электролита различают две стадии коагуляции: скрытую и явную. Начальная стадия процесса коагуляции протекает незаметно для вооруженного глаза и называется скрытой коагуляцией. Увеличение концентрации электролита ведет к дальнейшему развитию коагуляции, повышение ее скорости и сопровождается образованием более крупных частиц. При этом золь мутнеет. Эта стадия процесса называется явной коагуляцией.

То наименьшее количество электролита, которое вызывает начало явной коагуляции, определяет порог коагуляции. У золей порог коагуляции обычно невелик и выражается в долях миллимолей электролита на литр золя