Задания для самостоятельной работы

1. Определите число частиц и их суммарную поверхность, если при дроблении 1 г серы получили частицы:

а) кубической формы с длиной ребра, равной 10^-5 см;

б) шарообразной формы с радиусом 10^-6 см;

Плотность серы d = 2,07 г/см³.

Ответ: 1,15 · 10¹⁷.

2. Определить свободную поверхностную энергию всех частиц, образующихся при дроблении 0,2 г ВаSО₄, на правильные кубики с длиной ребра 3·10^-6 см. Поверхностное натяжение кристалла ВаSО₄ равно 1250 мДж/м², а плотность –2,2 г/см^–3 .

Ответ: 2,275 ·10⁸ эрг.

3. Определите величину адсорбции (поверхностного избытка) при 10 °С для раствора, содержащего 50 мг/л пеларгоновой кислоты С₈Н₁₇СООН. Поверхностное натяжение воды при данной температуре 74,22· 10^-3 эрг/см², а исследуемого раствора – 57 10^-3 эрг/см².

Ответ: Г = 7,32 ·10^-9 кмоль/м².

4. К 50 мл раствора СН₃СООН при 20 °С добавили 3 г активированного угля. Количества кислоты до и после адсорбции определяются титрованием 50 мл раствора 0,1 н. раствором NаОН в присутствии фенолфталеина. Найти соотношение х/m в уравнении Фрейндлиха для раствора кислоты, используя данные титрования:

количество 0,1 н. NаОН, израсходованное на

титрование кислоты до адсорбции, равно 5,5 мл

количество 0,1 н. NаОН, израсходованное на титрование кислоты

после адсорбции, 1,2 мл

Ответ: х/m = 0,0086.

ЗАНЯТИЕ № 2

Тема. Адсорбция на неподвижной поверхности раздела.

Цель занятия. Ознакомиться с адсорбцией на границе раствор – твердый адсорбент. Построить изотерму адсорбции уксусной кислоты активированным углем.

Работа 1. Изотерма уксусной кислоты на угле.

а) в четыре чистые и сухие склянки с притертой крышкой внести по 0,5 г активированного угля (измельченного) и с помощью пипетки по 15 мл раствора уксусной кислоты, указанной в таблице нормальности (0,025; 0,05; 0,1; 0,2 н.). Склянки закрыть пробкой и оставить на 20–25 минут, время от времени встряхивая. После чего растворы уксусной кислоты отфильтровать через фильтровальную бумагу в отдельные четыре колбочки. Фильтраты используются для определения равновесной концентрации (СР) раствора уксусной кислоты (пункт в).

б) определить начальную концентрацию С₀ раствора уксусной кислоты. Для этого пипеткой на 10 мл отобрать растворы уксусной кислоты вышеуказанной нормальности, перенести в четыре чистые конические колбы, прибавить по 2–3 капли индикатора фенолфталеина и титровать 0,1 н. раствором NaOH до появления бледно-розового цвета. Количество щелочи, пошедшее на титрование раствора уксусной кислоты, записать в таблицу, выражая концентрацию объемом 0,1 н. NaOH на 100 мл раствора уксусной кислоты. Например, если на титрование 10 мл 0,025 н. раствора уксусной кислоты расходуется 2,5 мл; 0,05 н. – 5,3 мл; 0,1 н. – 10,5 мл и 0,2 н. – 20,6 мл 0,1 н. раствора NaOH, тогда начальная концентрация растворов уксусной кислоты С₀ соответственно будет равна: 25 мл, 53 мл, 105 мл и 206 мл. Полученные цифры записать в таблицу (стр. 136).

в) определить равновесную концентрацию (С_Р) раствора уксусной кислоты, т.е. концентрацию уксусной кислоты после адсорбции углем (пункт а). Для этого отобрать пипеткой 10 мл раствора уксусной кислоты (из фильтрата после адсорбции активированным углем), перенести в отдельные чистые конические колбочки, прибавить по 2–3 капли индикатора фенолфталеина и титровать 0,1 н. раствором NaOH до бледно-розовой окраски раствора. Количество щелочи, пошедшее на титрование раствора уксусной кислоты записать в таблицу, выражая концентрацию в объемах 0,1 н. NaOH на 100 мл раствора уксусной кислоты. Полученные цифры записать в таблицу.

г) для каждой концентрации по формуле (2) определить количество адсорбированной кислоты Х:

(2)

где X – количество уксусной кислоты, адсорбированной 1 г адсорбента, С_о – концентрация раствора до адсорбции, моль/л; С_р – концентрация раствора после адсорбции (равновесная концентрации), моль/л; V – объем раствора, взятого для адсорбции, л; 1000 – переводной множитель (для перевода измеряемой величины в ммоль/г).

д) на миллиметровой бумаге построить изотерму адсорбции. Для этого по оси абсцисс отложить значения исходных концентраций, указанных в таблице, моль/л, а по оси ординат – значения удельной адсорбции x/m ммоль/г. Полученная изотерма адсорбции будет иметь вид, показанный на рис. 7.

Контрольные вопросы и задания

1. Какие вещества относятся к поверхностно-активным и какие – к поверхностно-инактивным? Примеры.

2. Назовите гидрофобные и гидрофильные группы в молекулах ПАВ. Каково количественное соотношение между изменением поверхностного натяжения и величиной адсорбции с изменением концентрации ПАВ в растворе?

3. При каких условиях величина адсорбции прямо пропорциональна концентрации ПАВ и не зависит от концентрации ПАВ?

а) С >> К; б) С << К.

4. Что вы знаете о поверхностной активности ПАВ, о правиле Дюкло-Траубе?

5. Как зависит поверхностная активность вещества от длины углеводородного радикала?

6. Какой вид имеет изотерма адсорбции Ленгмюра при низкой и высокой концентрациях?

7. Какое соединение обладает большей поверхностной активностью:

а) С₁₃Н₂₇СООН или С₁₅Н₃₁СООН;

б) СН₃(СН₂)₁₂SO₃Na или СН₃(СН₂)₈SO₃Na?

8. Расскажите об адсорбции на границе раздела жидкость – газ и жидкость — жидкость. Напишите уравнения Ленгмюра и Гиббса.

9. Расскажите об ориентации молекул в поверхностном слое и структуре биологических мембран. Какие известны модели мембран?

10. Что вы знаете об адсорбции на границе раздела твердое тело – газ, твердое тело – жидкость и о факторах, от которых она зависит? Расскажите об изотерме адсорбции Фрейндлиха.

11. Что вы знаете о явлении смачивания, его избирательности, и о краевом угле?

12. Приведите правило Панета-Фаянса и дайте его объяснение на основе строения кристаллической решетки адсорбента.

13. Расскажите об ионитах и их классификации, о катионитахы и анионитах, об избирательности и специфичности ионитов, о применении их в медицине.

14. Почему адсорбцию электролитов называют избирательной?

Задача № 1. Определить величину адсорбции для раствора, содержащего 0,012 г/л уксусной кислоты при t = 20 °С, величина Г_макс = 5,1 10^-9 кмоль/м² и коэффициент адсорбции равен К = 250 м³/кмоль.

Задача № 2. Определить площадь, занимаемую одной молекулой уксусной кислоты на угле, если величина адсорбции Г_макс = 5,8 ·10^-9 кмоль/м².

Задача № 3. Вычислить по уравнению Ленгмюра величину предельной адсорбции Г₀₀ при 37 °С для желчи, если при концентрации 0,1 кмоль/м³ величина адсорбции Г = 6,8·10^-9 кмоль/м² (К = 0,03).

Задача № 4. Определить площадь, занимаемую одной молекулой ПАВ и ее длину на поверхности раздела вода-воздух, если величина предельной адсорбции равна 8,7·10^-9 кмоль/м² . Плотность и молекулярная масса ПАВ равны соответственно 950 кг/м³ и 112 а. е.

ЗАДАНИЯ

ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ

1. Вычислите по уравнению Ленгмюра величину адсорбции Г при 292 К для раствора изоамилового спирта при:

С = 0,5 кмоль/м³, Г₀₀= 8,7 10^-9 кмоль/м³, К = 0,0238.

2. Вычислите длину молекулы масляной кислоты (молекулярная масса М = 88) на поверхности раздела вода – воздух, если площадь, занимаемая одной молекулой в поверхностном слое, равна S = 3,2 · 10^-19 м² (d = 978 кг/м³).

3. Сколько граммов никеля останется в 500 мл 0,05 н. раствора NiSO₄, если в него опустили 10 г катионита? Объемная емкость катионита равна 1,4 ммоль/г. Атомная масса никеля 58,7.

4. Расскажите о жизни и научной деятельности М.С. Цвета.

ЗАНЯТИЕ № 3

Тема. Адсорбция на подвижной поверхности раздела.

Цель занятия. Ознакомиться с адсорбцией на границе жидкость – воздух. Установить зависимость поверхностного натяжения на границе раствор – воздух от концентрации растворенного вещества.

Работа 1. Адсорбция спирта на поверхности раздела раствор – воздух.

Так как уравнение Гиббса (Г=-С/RT · d/dC) определяет связь между величиной адсорбции и поверхностной активностью адсорбента и его концентрацией, то измеряя при постоянной температуре поверхностное натяжение растворов какого-либо ПАВ, обладающих известными различными концентрациями, можно получить функцию = f (С) . Из этой функции можно рассчитать адсорбцию Г или ее связь с концентрацией раствора, т.е. получить другую функцию Г= f (С) . Таким образом, экспериментальное определение поверхностного натяжения растворов ПАВ различной концентрации позволяет построить две изотермы: а) поверхностного натяжения, б) адсорбции.

Для выполнения данного опыта избран сталагмометрический метод (метод отсчета капель). Сталагмометр представляет собой стеклянную трубку с расширением в средней части и капилляром в нижней (рис.17.). На трубке нанесены две круговые метки (выше и ниже расширения).

Рис. 17. Сталагмометр

Для проведения опыта сталагмометр закрепляют в штативе. Надевая резиновую трубку на верхний конец, засасывают жидкость выше верхней отметки. Отсчитывают число капель, вытекающих из объема V от верхней до нижней метки. Измерения проводят 3–4 раза и берут среднеарифметическое вначале со стандартной жидкостью (водой), затем водными растворами спирта следующих концентраций: 0,50; 0,25; 0,10; 0,05 н. Поверхностное натяжение рассчитывают по формуле:

где d₀ и d_x – плотности воды и исследуемой жидкости,

и

– поверхностное натяжение стандартной и исследуемой жидкости.

n₀ и n_x – число капель воды и исследуемой жидкости.

Значения и d₀ берутся из справочника ( = 1 г/см³, H₂O = 72,56 эрг/см² при 20 °С). Полученные результаты занести в нижеприведенную таблицу.

По данным таблицы построить кривую изотермы поверхностного натяжения откладывая на оси ординат а на оси абсцисс – концентрацию С. Пользуясь изотермой натяжения рассчитать Г по уравнению Гиббса. Для этого к кривой = f(С) в нескольких точках провести касательные до пересечения их с осью ординат, провести также прямые параллельные оси абсцисс до пересечения их с осью ординат (рис. 18).

Рис. 18. Изотерма поверхностного натяжения

Из треугольника АВД найти tg =- АВ/ВД, tg =- d /dC. Каждой концентрации соответствует отрезок К на оси ординат между касательной и горизонтальной прямой, проведенный через ту же точку. Длина отрезка, выраженная в единицах поверхностного натяжения равна K = -C d /dC. Подставив полученные значения К в уравнение Гиббса, получим Г = К/RT . Используя значение К для ряда концентраций, рассчитать адсорбцию Г. Начертить изотерму адсорбции, отложив на оси абсцисс концентрацию, а на оси ординат – адсорбцию.