Лаба № 1 «адсорбция» По Органической Химии (Зеленская М. В

8

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Новгородский государственный университет им. Ярослава Мудрого

Факультет естественных наук и природных ресурсов

Кафедра химии и экологии

Адсорбция

Методические указания к лабораторной работе

Великий Новгород

2004 г

Адсорбция: Метод. Указ. / Сост. Г. Н. Олисова, Н. И. Ульянова – Великий Новгород: НовГУ, 2005. - 10 c.

Введение

Поверхностные явления, в частности адсорбция, играют большую роль в самых различных областях техники: поглощение отдельных компонентов из потока газа и жидкости; извлечение редких металлов и их соединений из растворов или газов и из отходов различны производств; удаление остатков газа из вакуумных приборов и т.д. С адсорбцией приходится сталкиваться в процессах химического и электрохимического травления и полирования полупроводников и металлов при очистке поверхности твердых тел от загрязнений.

1. Цель работы

1. Освоить методику определения величины адсорбции поверхностью твердого тела.

2. Определить константы уравнения Фрейдлиха для случая адсорбции уксусной кислоты активированным углём из водных растворов.

2. Основные теоретические положения

   1. Основные понятия

Адсорбцией называется изменение концентрации вещества на поверхности раздела двух фаз. Адсорбция является частным случаем сорбции, процесса поглощения одного вещества поверхностью или объемом другого.

Твердое тело или жидкость, на поверхности, которых происходит адсорбция, называется адсорбентом, а вещество (газ, жидкость или растворенный компонент), частицы которого скапливаются на поверхности адсорбента – адсорбатом.

Адсорбция возникает за счет свободной энергии поверхности, обусловленной неуравновешенностью частиц, образующих поверхностный слой. Притягивая к себе частицы из другой фазы, частицы поверхностного слоя уменьшают свою неуравновешенность, восстанавливая связь с адсорбционными частицами и выделяют при этом энергии. По величине энергии, выделяющийся при адсорбции, можно отличить различные виды этого процесса:

1. Физическая адсорбция, проявляющаяся при низких температурах. Энергии выделяется мало и адсорбированные частицы почти не меняют своё строение;

2. Активированная адсорбция связана с более значительным выделением энергии. Адсорбированные частицы взаимодействуя с поверхностью адсорбента, возбуждаются и изменяют своё строение. Этот вид адсорбции проявляется при гетерогенном катализе;

3. Хемосорбция сопровождается большим выделением энергии и адсорбированные частицы вступают в реакцию с поверхность адсорбента (топохимические соединения). Примером хемосорбции может служить адсорбция кислорода металлами.

Адсорбция зависит от природы адсорбента и адсорбата, от температуры, давления газа или концентрации растворенного вещества.

2. Адсорбционная равновесие. Изотерма адсорбции.

С кинетической точки зрения адсорбция является обратимым процессом, т.е. одновременно с адсорбцией происходи десорбция, когда адсорбированные молекулы вследствие кинетического движения уходят с поверхности адсорбента в газовую фазу или раствор. В начале процесса скорость адсорбции больше скорости десорбции десорбции. По мере насыщения поверхности адсорбента устанавливается состояние адсорбционного равновесия, которое характеризуется равенством скоростей адсорбции и десорбции. Концентрация вещества в газовой фазе или растворе, отвечающая состоянию равновесию называется равновесным. Адсорбционное равновесие подвижно и может быть смещено в ту или другую сторону согласно принципу Ле Шателье.

Количественно адсорбцию можно выражать в молях адсорбата на единицу площади поверхности адсорбента, моль/м², или на единицу массы адсорбента, моль/гр. Кривую зависимости величины адсорбции Г от равновесных концентрации С или давления P адсорбата при постоянной Т называют изотермой адсорбции: Г = f (c) или Г = f(p) при Т = const.

На рис.1 приведены изотермы адсорбции аммиака активированным углём при разных температурах.

РИСУНОК

На кривой, характеризующей адсорбцию при t = -23,5⁰C, можно выделить три участка: I – адсорбция прямо пропорциональна давления газа; II – адсорбция растет с повышение давления; III – адсорбция стремится к насыщению.

Количественно процесс адсорбции описывается уравнением Лангмора:

РИСУНОК!

Где P(c) – равновесное пропорциональное давление газа (концентрация)

К_р (К_с) – константа адсорбционного равновесия.

В области малых равновесных концентрации (давления) газа, когда слагаемые К_с * С или К_р * Р можно пренебречь, уравнение Лангмора принимает вид:

Г = Г_max * К_с * С или Г = Г_max * К_р * Р (2)

В области больших концентраций ( давлений) газа К_с * С>> 1, К_р * Р>>1, уравнение Лангмора принимает вид:

Г = Г_max (3)

Изотерму адсорбции на неоднородной поверхности обычно получают опытным путём. Одной из подобных изотерм является изотерма Фрейндлиха:

Г = К_с * С^1/П (4)

Где К_с и П – постоянные для данной системы величины.

Как видно из рис. 1, при повышении температуры наблюдается понижение адсорбции, что свидетельствует об экзотермичности процесса.

Отметим две общие закономерности адсорбции: 1) При прочих равных условиях сильнее адсорбируется те газы, которые легче конденсируются в жидкость или обладают более высокой температурой кипения в жидком состояния; 2) При прочих равных условиях из раствора лучше сорбируются те вещества, которые обладают меньшей растворимость. На этом основан процесс избирательной адсорбции, который очень часто используется. Например, противогаз сорбируется примеси к воздуху, но мало задерживает воздух так как температура кипения O₂ и N₂ очень низкие. Избирательная адсорбция применяется в хромотографии для разделения веществ, адсорбированных из потока газа – носителя или из раствора.

3. Требования техники безопасности.

При выполнении работы следует выполнять общие правила работы в химической лаборатории. При отборе кислоты мерными пипетками пользуйтесь грушами! Избегайте попадания растворов кислоты или щелочи на руки и одежду. При необходимости смывайте раствры большим количеством воды и нейтрализуйте раствором слабой кислоты или щелочи.

4. Экспериментальная часть.

Величина адсорбции на твердых поверхностях измеряется по разности между начальной концентрацией вещества в растворе и концентрацией его при установлении адсорбционного равновесия – равновесной. Так как величина адсорбирующегей поверхности обычно неизвестна, поэтому величину адсорбции относят к единице массы адсорбента.

С учетом сказанного, для определения констант в уравнеии Фрейндлиха выполните следующее:

1. В пять конических колб отмерьте мерным цилиндром по 50 мл раствора уксусной кислоты разных концентраций: 0,4 ; 0,2; 0,1; 0,05; и 0,025 моль/л.

2. В каждую из них добавьте по 1 г измельченного активированного угля.

3. Для установленbя адсорбционного равновесия колбы периодически встряхивайте в течении 1- = 15 минут.

4. Отфильтруйте растворы в чистые колбы, используя складчатые фильтры.

5. Уточните концентрации растворов уксусной кислоты, взятой для адсорбции. В колбу мерной пипеткой возьмите 10 (15) мл кислоты и добавьте в раствор 2-3 капли фенолфталеина. Затем, из бюретки осторожно, по каплям, прибавляйте раствор 0,1 Н гидроксида натрия до появления устойчивого розового окрашивания. Отметьте объем щелочи V^щ , пошедшей на титрования. Определение повторите два раза. По среднему значению объема пошедшей на титрование щелочи, вычислите концентрацию кислоты на основе уравнения:

6.Полученные результаты внесите в таблицу 1

Концентрации кислот	Объем кислоты Vк	Объем щелочи Vщ, израсх. На титр. 1| 2| 3| Средн	Точная концентрация Cо	Объем щелочи израсх. На титр. 1| 2| 3| Средн	Равновесная концентрация кислоты С
	10 10 10 10
Исходная кис	лота			Кислота пос	ле адсобции

7. Определите равновесную концентрацию кислоты. Для этого 10 мл фильтрата каждой кислоты оттитруйте раствором 0,1 Н NaOH точно так же, как и в предыдущем случае. Результаты внесите в таблицу 1

8. Для определения коэффициентов K_c и 1/n в уравнении Фрейндлиха (4) представим его в логарифмическом виде

РИСУНОК

Уравнение (8) есть уравнение первой стпени, графическое изображение которого даёт прямую линию в координатах.

Г = f ( Lg C) Для построения графика (общий вид которого показана на рис.2), заполните таблицу

Исходная концентрация растворов кислоты Со (экв/л)	Равновесная концентрация кислоты С | Lg C	Количество адсорбированной кислоты (моль) х = 0,05 (Со - С)	Масса адсорбента m, г	Величина адсорбции (моль/г) х/m=Г | Lg Г

9. По графику определите коэффициент адсорбции и запишите уравнение изотермы, для исследованного случая.

10. По экспериментальным данным постройте график изотермы адсорбции в координатах Г = f (С _равнов).

11. Для сравнения на последнем рисунке постройте теоретическую изотерму адсорбции, предварительно рассчитав величину адсорбции по полученному экспериментальному уравнению приняв равновесные концентрации уксусной кислоты равными: 0,05; 0,1; 0,15; 0,2 и 0,3 моль/л.

4. Требования к отчёту.

Отчет должен быть оформлен аккуратно, грамотно, в срок.

В теоретической части укажите основные определения.

Экспериментальные результаты представьте в виде таблиц и графически. Графики надо строить по экспериментальным (или рассчитанным) точкам.

4. Контрольные вопросы.

1. Что такое адсорбция? Причины её протекания и виды адсорбции.

2. Единицы измерения адсорбции.

3. Что характеризует адсорбционное равновесие? Как влияют на него концентрация адсорбата и температура?

4. Изотерма адсорбции. Уравнение Лангмора и Фрейндлиха.

5. В чём принципиальное различие между уравнениями Лангмора и Фрейндлиха?

6. Найти равновесную концентрацию уксусной кислоты если величина адсорбции в уравнении Фрейндлиха равна 0,012 моль/м², а константа К_с и n соответственно 0,25 и 3,1.

7. Теплота адсорбции аммиака на мелко раздробленной меди равна 29,3 кДж. Какой объем аммиака поглотится медью, если при этом выделилось 158,6 кДж тепла?

Литература

1. Ершов Ю.А. Общая химия. Биофизическая химия. Химия биогенных элементов/ Ю.А.Ершов, В.А.Попков, А.С.Берменд и др.: - Учеб.для мед.спец.вузов. Под.ред. Ю.А.Ершова. - М.: Высш.шк.., 1993. - 560 с., ил.

2. Слесарев В.И. Химия: Основы Химии живого: Учебник для вузов – 2-е изд. испр и доп. – СПб: Химиздат, 2001. –780 с.: ил.

3. Коровин В.Н Общая химия. – М.: ВШ., 1998 (2002). - 559 с

4. Глинка Н.Л. Общая химия. - М.: Химия, 1988. - 720 с. (М.: Интеграл-Пресс, 2002. – 727 с.).