Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«КИРОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ МЕДИЦИНСКАЯ АКАДЕМИЯ»

Министерства здравоохранения Российской Федерации

Кафедра ХИМИИ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ДЛЯ ВНЕАУДИТОРНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ

1 КУРСА СПЕЦИАЛЬНОСТИ «МЕДИЦИНСКАЯ БИОХИМИЯ»

Дисциплина «Органическая и физическая химия»

2 семестр

ЗАНЯТИЕ №6

ТЕМА: Защита разделов «Термодинамика поверхностных явлений. Адсорбция»

Цель изучения темы: Закрепить знания, полученные по темам «Термодинамика поверхностных явлений», «Адсорбция на границах фаз тв.тело-газ, жидкость-газ, тв.тело- жидкость»

ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ ВНЕАУДИТОРНОЙ РАБОТЫ:

Теоретические вопросы:

1. Поверхностные явления. Особые свойства границы раздела фаз. Возникновение избытка свободной энергии на границе раздела фаз. Поверхностное натяжение. Его зависимость от природы жидкости, температуры, концентрации различных веществ в растворе.

2. Сорбция. Виды сорбции. Адсорбция на границе раздела жидкость - газ. Поверхностно-активные (ПАВ) и поверхностно-инактивные (ПИАВ) вещества. Их природа, строение, поведение в растворе. Правило Дюкло-Траубе. Уравнение изотермы адсорбции Гиббса. Положительная и отрицательная адсорбция. Ориентация молекул в поверхностном слое и структура биомембран.

3. Адсорбция на поверхности раздела твердое вещество - газ. Важнейшие адсорбенты. Теория Лэнгмюра. Изотерма адсорбции. Уравнение Лэнгмюра и Фрейндлиха. Графическое нахождение констант в уравнении Фрейндлиха. Физическая и химическая адсорбция.

4. Полимолекулярная адсорбция. Теория Поляни и БЭТ. Схема полимолекулярной адсорбции.

5. Адсорбция на границе твердая поверхность - раствор (адсорбция из раствора). молекулярная и ионная адсорбция. Смачивание. Правило молекулярной адсорбции Ребиндера. Гемосорбция. Избирательная ионная адсорбция. Правило Панета-Фаянса. Ионообменная адсорбция. Катиониты и аниониты.

Расчетные задачи:

1. Подготовили водные растворы с разными концентрациями мыла и измерили их поверхностное натяжение. По полученным данным постройте изотерму поверхностного натяжения,

С, моль/л	0,05	0,1	0,15	0,20	0,25	0,30	0,35	0,40	0,45
σ, Дж/м2	59,0	50,0	43,5	38,0	34,0	30,5	28,0	27,5	27,5

Экстраполируя график, определите поверхностное натяжение чистой воды. Почему при высоких концентрациях мыла поверхностное натяжение раствора перестает изменяться? Изобразите это состояние раствора.

2. Имеются водные растворы следующих веществ:

1) Бутанамин-1

2)Йодид калия

3)Пентанамин-1

4)Манноза

На графике приведены изотермы поверхностного натяжения этих растворов. Подпишите, какому веществу соответствует каждая изотерма. К каким классам веществ (ПАВ, ПИВ, ПНВ) относятся эти соединения?

3. На графике приведены изотермы поверхностного натяжения водных растворов двух веществ: пентанола-1 и гексанола-1:

1 ) покажите на графике поверхностное натяжение чистой воды

2) как влияют ПАВ на поверхностное натяжение растворителя и почему?

3) изобразите частокол Лэнгмюра, образовавшийся в этих системах.

4) подпишите, какому веществу соответствует каждая изотерма, согласно правилу Дюкло-Траубе.

4. Используя уравнение Гиббса, рассчитайте адсорбцию желчи из ее водного раствора (Г, моль/м²) и постройте изотерму адсорбции по следующим данным (Т = 298 К):

Сравновесная , моль/л	0,10	0,30	0,50	0,50
Поверхностная активность ∆σ/∆C·10-3Дж/м2	-82	-53	-35	-26

Сформулируйте закономерность: как влияет концентрация ПАВ в растворе на адсорбцию его в поверхностном слое жидкости? Приведите вид частокола Лэнгмюра.

5. При увеличении концентрации вещества А в водном растворе поверхностное натяжение раствора имело следующие значения (Т = 298К):

С, моль/л	0,03	0,06	0,12	0,24
σ, 103 Н/м2	65,1	55,4	40.0	25.2

Постройте изотерму поверхностного натяжения и определите характер вещества А (ПНВ, ПИВ или ПАВ). Какое строение имеют такие вещества? Изобразите схематично его адсорбцию на поверхности воды. Что является движущей силой адсорбции?

6. Энергия связи адсорбированного аммиака на поверхности угля равна ΔН = - 4,1кДж/моль. К какому виду адсорбции она относится: к физической или химической. При изучении адсорбции при 20°С и 40°С получили следующие изотермы:

1 ) подпишите, какой температуре соответствует каждая изотерма и почему.

2) укажите Г^∞ для каждого случая. Что это означает?

3) сформулируйте, как зависит адсорбция газа от температуры и почему.

4) что произойдет, если уголь с адсорбированным на нем газом нагреть до 70°С?

7. При пропускании воздуха через слой медных опилок на их поверхности образовался оксид меди (II):

Cu + ¹/₂O₂ = CuO

- какой вид адсорбции: физическая или хемосорбция, имеет место для

а) кислорода и б) азота, входящих в состав воздуха?

Что произойдет, если адсорбцию проводить при 70°С?

8. К 20 мл раствора органической кислоты с концентрацией С₀=0,125 моль/л добавили 0,5 г. адсорбента и перемешали. Через некоторое время уголь отфильтровали и методом титрования определили концентрацию кислоты в растворе, Ср=0,065 моль/л. Рассчитайте адсорбцию уксусной кислоты. Покажите схему адсорбции кислоты и выберите тип адсорбента.

9. Приведите правило Ребиндера, изобразите схему молекулярной адсорбции и выберите тип адсорбента для фенола из водного раствора

10. Приведите правило Ребиндера, изобразите схему молекулярной адсорбции и выберите тип адсорбента для анилина из бензольного раствора

11. Приведите правило Ребиндера, изобразите схему молекулярной адсорбции и выберите тип адсорбента для. токсинов при гемосорбции

12. Приведите правило Ребиндера, изобразите схему молекулярной адсорбции и выберите тип адсорбента для сивушных масел из спирта

13. В смесь электролитов: хлорид натрия и йодид калия, которые не вступают в в химическую реакцию друг с другом, поместили кристаллик йодида серебра.

- какие ионы будут адсорбироваться на поверхности кристалла (являются потенциалопределяющим).

- к какому виду относится адсорбция в данной системе?

14. Как должна быть заряжена поверхность белка, при адсорбции на нем фермента RH, обладающего кислотными свойствами в нейтральной среде? К какому виду адсорбции относится этот процесс? Изобразите его в виде схемы.

15. Для очистки свекловичного сока при производстве сахара от примесей катионов K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺ его пропускают через ионит. Как он называется? Приведите вид системы после адсорбции. Как называется этот вид адсорбции?

16. Чему равна поверхностная энергия слоя воды площадью 100см², имеющей поверхностное на­тяжение 72·10^-3 Дж/м²?

17. Приготовили два водных раствора одинаковой концентрации пропионовой (С₂Н₅СООН) и ва­лериановой (С₄Н₉СООН) кислот. А) изменится или нет поверхностное натяжение и по­верхностная энергия жидкости по сравнению с чистой водой и почему? Б) сравните поверхностное натяжение полученных растворов (σ₁ и σ₂), где оно меньше и во сколько раз? Приведите правило, которое вы использовали для ответа.

18. Имеется водный раствор изопропилового спирта. Известно, что спирты обладают значитель­ной полярностью. На каком сорбенте они будут адсорбироваться из водного рас­твора: А) на неполярном активированном угле или Б) на сильнополярных сорбентах типа BaSO₄ и CaCO₃? Какой это вид адсорбции? В соответствии с каким правилом она происхо­дит? Дайте его формулировку и поясните на схеме.

19. В стакане находятся вода, стеарат натрия (С₁₇Н₃₅СООNa) и активированный уголь. Изобра­зите схематично, как происходит процесс адсорбции в этой системе. Какой это вид адсорб­ции и какому правилу он подчиняется? Почему система становится более устойчивой?

20. Какие ионы будут адсорбироваться на сорбенте СаСО₃: PO₄^3-, Cl^-, CO₃^2-, NO₃^-, CH₃COO^-, Ba²⁺, K⁺, Ca²⁺, Pb²⁺? Какой это вид адсорбции и какому правилу он подчиняется?

21. Для уменьшения жесткости воды её пропускают через фильтр, заполненный зернами катионита в Н-форме. Какой вид адсорбции происходит в этой системе? Изобразите ее схематично. Какова реакция среды после фильтра (pH=7, pH>7, pH<7)?

22. Для адсорбции лимонной кислоты взяли 10 мл ее раствора с концентрацией 0,1 моль/л. После контакта ее с 0,5 г адсорбента, концентрация кислоты стала равной 0,02 моль/л.

1) рассчитайте количество адсорбированной лимонной кислоты (т.е. ее адсорбцию, Г, моль/г адсорбента)

2) Какой это вид адсорбции?

3) какой адсорбент был использован: активированный уголь или силикагель (SiO₂)?

Покажите это используя правило Рэбиндера.

23. Через колонку, заполненную зернами ионита, поверхность которых имеет строение, показанное на рисунке, пропускали раствор КВг. Изобразите состав системы после ионообменной адсорбции. Какой характер имеет ионит: катионит или анионит?

24. К 20 мл раствора уксусной кислоты с концентрацией С₀=0,125 моль/л добавили 0,5 г. активированного угля и перемешали. Через некоторое время уголь отфильтровали и методом титрования определили концентрацию кислоты в растворе, Ср=0,065 моль/л. Рассчитайте адсорбцию уксусной кислоты на активированном угле

Рассчитайте величину избыточной поверхностной энергии эритроцитов, содержащихся в крови взрослого человека, если известно, что поверхностное натяжение эритроцита равно 15 · 10^-3 Дж/м², число эритроцитов в 1 см³ равно 4·10⁹, площадь поверхности одного эритроцита составляет 2,2·10^-11м², а объем крови 5 л. (ответ: 6,6 Дж)

25. Рассчитайте количество адсорбированной желчи (т.е. ее адсорбцию Г, моль/м²) и постройте изотерму адсорбции по следующим данным (Т=298К):

Сравновесная , моль/л	0,125	0,375	0,625	0,875
Поверхностная активность ∆δ/∆C·10-3Дж/м2	-82	-53	-35	-26

Приведите вид частокола Лэнгмюра для этой системы.

26. Из перечисленных примеров адсорбентов и растворителей укажите, какие адсорбенты, какими растворителями смачиваются и не смачиваются

Адсорбенты	растворители
1. песок. 2. активированный уголь. 3. полиэтилен. 4. стекло.	А. вода Б. бензол. В. этанол. Г. гексан.

а) смачиваются б) не смачиваются

27. Какой адсорбент следует взять для осветления растительного масла, т.е. для адсорбции окрашивающих примесей? 1. активированный уголь. 2. цеолит 3. песок 4. гранулированный полистирол. Приведите правило Ребиндера.

28. При уменьшении концентрации новокаина в растворе с 0,2 моль/л до 0,15 моль/л поверхностное натяжение возросло с 6,9·10^-2 Н/м до 7,1·10^-2 Н/м. Рассчитайте величину адсорбции в данном интервале концентраций при T = 293 К.

29. Концентрация кетоновых тел, накапливаемых в крови больных сахарным диабетом в течение суток, достигает 0,2 моль/л. Какое количество кетоновых тел адсорбируется из крови при гемосорбции, если емкость адсорбента равна 3·10 ^-3 моль/г,

а = 6·10^-2 моль/л?

Зав. кафедрой химии

д.м.н., профессор Цапок П.И.