Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физическая и коллоидная химия. Методические рекомендации к лабораторные работы
.pdf
цией. Обозначают адсорбцию чаще всего буквой Г и рассчи-
тывают по формуле:
С
С
Г
Р
,моль/см
𝑆
где Со и Ср– начальная и равновесная концентрации растворенного вещества, в моль; S – поверхность адсорбента, в см2.
Адсорбция по Гиббсу – это избыток адсорбата в адсорб-
ционном слое, выражается в моль/см2. Количественно связь
между величиной адсорбции и изменением поверхностного
натяжения с концентрацией раствора dσ/dC дается адсорбци-
онным уравнением Гиббса (1878 г.):
С
Г
∙
𝑅𝑇
𝑃
Г
∙
𝑅𝑇
где С – объёмная концентрация растворённого вещества в
моль/л, Р – парциальное давление адсорбирующегося газа в
атм., К – универсальная газовая постоянная равная 8,31∙10
эрг∙моль
поверхностная активность (характеризует способность веще-
ства изменять поверхностное натяжение).
С или давления Р при постоянной температуре называется
изотермой адсорбции.
-1
Зависимость адсорбции Г от равновесной концентрации
∙град
-1
, Т – абсолютная температура в К, 𝒈
для растворённых веществ (3.2)
𝑑𝜎
𝑑𝐶
для адсорбции газов или паров
𝑑𝜎
(3.3)
𝑑𝑃
𝒅𝝈
𝒅𝑪
–
7
31
Все вещества по их воздействию на поверхностное
натяжение воды можно разделить на три группы (рис.8):
1. Поверхностно-активные вещества (ПАВ) – понижают
поверхностное натяжение растворителя (σ
р.р<σ0
), g>0. Поверхностно-активными веществами являются органические
соединения, молекулы которых имеют дифильное строение,
т.е. они содержат в молекулах одновременно гидрофобную и
гидрофильную группы. В качестве гидрофобной группы
обычно выступает углеводородный радикал, содержащий 1018 углеродных атомов, чаще всего линейного строения. К
гидрофильным группам могут относиться группы: –СООН, –
СООNа, –SО3Nа, –ОН, –NН2 и др. Поэтому такие молекулы
называются дифильными, т.е. обладающими двойным сродством одновременно и с полярной, и неполярной фазами. Если гидрофобные группы не растворяются в воде и стараются
«оттолкнуться» от нее, то гидрофильные группы, наоборот,
легко взаимодействуют с ней. В связи с этим молекулы поверхностно-активных веществ располагаются на границе
раздела фаз (в поверхностном слое) таким образом, что гидрофильные группы направлены к воде и растворены в ней, а
гидрофобные – выталкиваются из нее. Дифильные молекулы
ПАВ схематически на рисунках чаще всего изображают в
виде круглой головки (гидрофильной части) с хвостиком
(гидрофобной, углеводородной частью):
о/\/\/\/\/ или ○—
Тогда расположение молекул ПАВ на границе раздела фаз
можно изобразить следующими образом
32
Дифильные молекулы, попадая в воду, на границе раздела
фаз ориентируются полярными группами (гидрофильными) в
воду, а неполярными углеводородными радикалами (гидрофобными) в воздух, так как сродство их с газообразной фазой больше, чем с водой. Интенсивность межмолекулярных
сил в газе невелика, и поэтому газ или пар условно можно
считать неполярной фазой.
2. Поверхностно-инактивные вещества (ПИВ) − незначи-
тельно повышают поверхностное натяжение растворителя (σ
), g<0 (неорганические кислоты, основания,
р.р>σ0
соли, глицерин, α-аминокислоты и др).
33
σ·103, Дж/м
90
σ
0
70
50
30
0 0,2 0,4 0,6
Г, мкмоль/м
0,8
Г
∞
2
а
ПАВ
ПНВ
ПИВ
С, моль/л
2
б
0,6
0,4
0,2
ПАВ
С, моль/л
0
0 0,1 0,2 0,3 0,4
Рис.8. Изотермы поверхностного натяжения (а) и
адсорбции растворов (б) ПАВ (3), ПНВ (2) и ПИВ (1)
3. Поверхностно-неактивные вещества (ПНВ) − практи-
чески не изменяют поверхностного натяжения растворителя
(σ
), g=0 (по отношению к воде веществами являются
р.р=σ0
сахароза и ряд других).
34
Правило Дюкло – Траубе: в любом гомологическом ряду
при малых концентрациях удлинение углеродной цепи на
одну группу СН2 увеличивает поверхностную активность в 3
– 3,5 раза:
3,5 (3.4)
Объяснение правила Траубе с точки зрения молекулярнокинетической теории, данное Ленгмюром, позволяет уточнить представление о структуре адсорбционного слоя. Адсорбированные молекулы ПАВ прочно связаны с водой полярными, гидрофильными группами –СООН, –ОН, –NН2, –
СN и др., а углеводородные радикалы – слабее, и до тех пор,
пока концентрация мала, молекулы находятся в «лежачем»
положениина границе фаз. К этому случаю и применимо
правило Траубе, так как увеличение длины углеводородной
цепи молекулы ПАВ влияет на поверхностное натяжение.
При увеличении концентрации ПАВ происходит сжатие адсорбционного слоя,углеводородные радикалы отрываются от
воды и принимают наклонное положение к поверхности раздела, а при максимально возможной адсорбции молекулы
располагаются перпендикулярно поверхности раздела, образуя так называемый «частокол» Ленгмюра. Поэтому естественно предположить, что максимальная адсорбция Г∞,
значение которой находится графически из экспериментальных данных, определяется именно размерами полярной
группы и адсорбированный слой при этом мономолекулярен.
Отсюда можно вычислить и площадь So, приходящуюся на
одну полярную группу в адсорбированном слое:
𝑆
𝑆
Г
𝑁
35
где NA – число Авогадро.
Толщина адсорбционного слоя l∞ рассчитывается исходя из
значения максимально возможной адсорбции Г∞, молярной
массы М и ρ плотности растворов ПАВ:
Г
𝑀
𝑙
𝜌
Поверхностное натяжение жидкостей определяют с помощью прибора Ребиндера (рис.9).
Рис.9. Прибор для определения поверхностного натяжения
где 1 – капилляр; 2 – колено для исследуемой жидкости; 3 –
шприц; 4 – кран.
Для двух жидкостей с различными значениями поверхностного натяжения существует зависимость:
36
(3.5)
где σ0 – поверхностное натяжение воды (растворителя) в
дн/см (Приложение 6), σ – поверхностное натяжение добав-
ленноговещества (ПАВ, ПИВ, ПНВ) в дн/см, Р0 и Р – соответствующие им избытки давления над внешним давлением
при проскоке пузырька.
Цель работы: По результатам определения поверхностного
натяжения раствора ПАВ построить изотерму
адсорбции ПАВ наповерхности воды.
Оборудование: Прибор для определения поверхностного
натяжения, два химических стаканчика, штатив.
Реактивы: Поверхностно-активное вещество, дистиллированная вода, фильтровальная бумага.
Порядок работы:
1. Получить у лаборанта прибор для определения поверхностного натяжения (см. рис. 9). Проверить, достаточно ли плотно закрываются пробками пробирка 2
и аспиратор 4, а также, хорошо ли заполнен манометр
(уровень воды в нём должен составлять три четверти
от его высоты, и в воде не должно быть пузырьков
воздуха).
2. Закрепить прибор в штативе и тщательно промыть
пробирку 2 и трубку 1 дистиллированной водой.
3. С помощью воронки залить дистиллированную воду в
аспиратор 4 и плотно закрыть его пробкой.
4. В чистую пробирку 2 налить немного дистиллированной воды и плотно закрыть пробирку со вставленной в
неё трубкой с капилляром. При этом конец капилляра
должен быть погружён в воду на 1 мм.
5. При медленном выливании воды из аспиратора 4 через
зажим 5 убедиться в том, что на конце капилляра об-
37
разуются пузырьки воздуха, которые проскакивают
через жидкость в пробирке 2. При этом разность Р
между атмосферным давлением и давлением внутри
прибора максимальна.
6. Определить максимальный h1 и минимальный h2 уровень воды в коленах манометра при проскоке пузырьков через жидкость. Эти измерения произвести не менее трёх раз и записать их в таблицу 6. Из этих данных найти средние значения ħ1 и ħ2 и максимальную
разность давлений Р0 по формуле:
Р0 = ħ1 - ħ2 (в мм водн.ст.)
3. Через нижнюю трубку вылить воду из пробирки 2,
выдуть воду из капилляра К и осушить его с помощью
фильтровальной бумаги. Промыть пробирку 2 и капилляр К исследуемым раствором ПАВ, затем налить
его в пробирку 2 и измерить давление Р, при котором
отрывается пузырёк воздуха, как это делалось для воды. Концентрации растворов ПАВ, поверхностные
натяжения которых надо определить, указаны в таблице 6. Тогда изменение концентрации раствора ПАВ
за счёт оставшихся в растворе капель жидкости будет
минимальным. Рассчитать максимальную разность
давлений Р для всех концентраций растворов ПАВ по
формуле:
- ħ
Р = ħ
Результаты измерений и расчётов записать в рабочую
тетрадь.
4. Используя формулу:
(в мм водн.ст.)
1
2
38
𝜎𝜎
(3.6)
где Р0 – давление, полученное для воды,
σ0 – поверхностное натяжение воды,
Р – давление для раствора ПАВ данной концентрации,
определить поверхностные натяжения σ растворов
ПАВ и записать их значения в таблицу 5.
9. Построить изотерму поверхностного натяжения – гра-
фик зависимости σ раствора ПАВ от его концентрации, как показано на рис.2 в масштабе: по оси σ 10
эрг/см2 – 5 см, а по оси С 0,05 моль/л – 1 см.
Таблица 5.
t = ……°С
Концентрация
ПАВ, моль∙л–1
h1,
мм
h2,
мм
Р,
мм
σ,
дн/см
вод.ст.
0
0,05
0,10
0,20
0,30
0,50
10. Из изотермы поверхностного натяжения рассчитать
величины поверхностных активностей Δσ/ΔС для шести указанных в таблице концентраций ПАВ и записать полученные значения в таблицу 6а.
11. Рассчитать величины адсорбции ПАВ в зависимости
от его концентрации в растворе по формуле:
С
39
∆
∙
,
∆
Г
используя значения Δσ/ΔС записать результаты расчёта в
таблицу 6.
Таблица 6.
С, моль/л
∆σ
Г, моль/см2
∆C
0,05
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
12. Построить изотерму адсорбции ПАВ на поверхности
воды. Для этого по оси абсцисс отложить концентрацию раствора С, а по оси ординат – адсорбцию Г.
13. (По усмотрению преподавателя) Вычисление величи-
ны предельной (максимальной) адсорбции - Г
max.
дельная (максимальная) адсорбция соответствует полному насыщению поверхностного слоя. Для определения Г
преобразуют уравнение Ленгмюра:
max
ВС
ГГ
1ВС
где Г
– величина предельной (максимальной) адсорб-
max
ции, В– постоянная, характеризующая сродство адсорбируемого вещества к поверхности адсорбента.
Разделим единицу на обе части этого уравнения, тогда:
Г
ВС
∙ВС
1
1
Г
Пре-
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]