Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физическая и коллоидная химия. Практикум
.pdf
ствами. Если вещество поглощается всем объемом другого,
S
n
m
n
то происходит абсорбция, если вещество концентрирует‑
ся на поверхности раздела фаз, то имеет место адсорбция.
Вещество, способное поглощать, адсорбировать другое,
называется адсорбентом, вещество, которое может адсор‑
бироваться – адсорбтивом, а адсорбированное вещество
адсорбатом. Процесс, обратный адсорбции, называется десорбцией.
По природе сил взаимодействия адсорбента с адсорб‑
тивом различают адсорбцию физическую и химическую.
Физическая адсорбция вызывается силами межмолекуляр‑
ного взаимодействия (силами Ван‑дер‑Ваальса). Тепло‑
та физической адсорбции составляет 8,3–25,1 кДж/моль.
Процесс физической адсорбции протекает быстро, так как
не требует активации молекул.
Химическая адсорбция осуществляется за счет хими‑
ческих сил межмолекулярного взаимодействия и называ‑
ется хемосорбцией. Хемосорбция сопровождается взаимо‑
действием адсорбента и адсорбтива и является практически
необратимым процессом. Тепловой эффект хемосорбции со‑
поставим с тепловым эффектом химических реакций и до‑
стигает 500 КДж/моль. Примером хемосорбции является
адсорбция кислорода поверхностью активированного угля.
При нагревании системы поверхности удаляется не О2, а СО.
Величину адсорбции (Г) выражают количеством веще‑
ства‑адсорбата (n) на единицу поверхности адсорбента (S)
или массы адсорбента (m). Вычисляют по формулам
Г =
или Г =
.
Адсорбция может происходить на границе раздела:
жидкость – газ; жидкость – жидкость; твердое тело – газ;
твердое тело – раствор. Зависимость величины адсорбции
от концентрации раствора устанавливает уравнение изотер‑
91
мы Гиббса, которое универсально с точки зрения термоди‑
d
dC
a/1
намики и применимо к границам раздела любых фаз:
Г = –
C
×
δ
,
RT
где Г –‑ величина адсорбции, моль/кг или моль/м 2;
С – концентрация раствора, моль/л;
R – газовая постоянная;
Т – абсолютная температура;
dδ/dC – мера поверхностной активности адсорбтива,
(Дж×л)/(м×моль). Знак производной dδ/dC указывает на ха‑
рактер зависимости.
Адсорбция на границе твердое тело – раствор имеет
сложный характер из‑за физической неоднородности по‑
верхности твердых тел. В процессе адсорбции участвует
не только внешняя, но и внутренняя поверхность адсорбен‑
та. Кроме того, адсорбция из растворов на твердом адсор‑
бенте осложняется наличием третьего компонента – среды,
молекулы которой могут также адсорбироваться на его по‑
верхности.
Адсорбцию растворов средних концентраций и газов
средних давлений на твердой поверхности описывает эмпи‑
рическое уравнение Фрейндлиха. Применительно к адсорб‑
ции растворов на твердом адсорбенте уравнение Фрейндли‑
ха имеет вид
Г = К × С
,
где К – константа, при С = 1 моль/л К = Г;
1/a – константа (адсорбционный показатель), зависит
от природы адсорбента и температуры. 1/a = 0,1–1.
Более универсальной является теория межмолекуляр‑
ной адсорбции Ленгмюра. Уравнение изотермы адсорбции
Ленгмюра выведено на основании теоретических предпо‑
сылок и справедливо для широкого интервала концентрации
и разных границ раздела фаз (жидкость – газ; жидкость –
92
жидкость; твёрдое – газ; твёрдое – жидкость). Изотерма ад‑
СВ
сорбции Ленгмюра выражается уравнением
Г = Г
max
С
×
,
где Г – величина адсорбции, моль/кг;
Г
– величина предельной адсорбции, моль/кг;
max
С – концентрация раствора, моль/кг;
В – константа равновесия адсорбции.
Величина константы В зависит от природы адсорбента
и адсорбтива. При низких концентрациях адсорбция растёт
линейно с увеличением концентрации. При высоких концен‑
трациях (С>>В) значением В в знаменателе можно прене‑
бречь, тогда Г = Г
центрации адсорбция достигает предельного значения (Г
. Это означает, что с увеличением кон‑
max
max
).
Адсорбционные явления широко распространены
в природе. Горные породы и почвы являются адсорбента‑
ми, по которым перемещаются водные и газовые растворы.
Легочная ткань подобна адсорбенту‑носителю, на котором
удерживается гемоглобин крови, обеспечивающий перенос
кислорода в организме. Многие функции биологических
мембран живой клетки связаны со свойствами их поверхно‑
сти. Общая площадь биологических мембран в организме
человека достигает тысяч квадратных метров.
Вопросы для самоконтроля
1. Особенность поведения веществ на границе разде‑
ла фаз.
2. Что такое адсорбция? Виды адсорбции. Факторы,
влияющие на процессы адсорбции.
3. Уравнение Гиббса, его анализ.
4. Изотерма адсорбции, типы изотерм адсорбции.
5. Поверхностно‑активные вещества (ПАВ), особен‑
ности строения молекул.
93
6. Примеры применения ПАВ.
7. Изотерма адсорбции Фрейндлиха. Области приме‑
нения адсорбции.
8. Изотерма адсорбции Фрейндлиха в логарифмиче‑
ских координатах.
9. Графическое изображение изотермы адсорбции
Фрейдлиха и определение её констант.
10. Понятие об ионообменной адсорбции.
11. Адсорбционная способность почв, значение.
12. Значение сорбционных процессов в биологиче‑
ских системах.
Лабораторная работа № 9
Определение констант в уравнении Фрейндлиха
Цель работы: определить константы в уравнении
Фрейндлиха.
Реактивы: NaОН (0,1 н), СH3 СОOН (2 н), уголь, фе‑
нолфталеин.
Приборы и материалы: весы, колбы (250 мл), бюрет‑
ки, фильтры.
1. Разбавлением 2 н раствора уксусной кислоты при‑
готовьте в четырех колбах растворы уксусной кислоты в со‑
ответствии с табл. 8.
Таблица 8
Приготовление растворов уксусной кислоты
различной концентрации
Раствор
Объем, мл (V)
Концентрации (Сэк)
Объем 2 н раствора
СН3 СООН
Объем воды
1 2 3 4
150 150 125 110
0,025 0,05 0,1 0,2
Номер колбы
94
Расчет необходимого количества 2 н раствора уксусной
кислоты проводится по закону эквивалентов для реагирую‑
щих растворов:
С
эк1·V1
= С
эк2·V2
,
где Сэк, V – молярная концентрация эквивалентов уксусной
кислоты, объемы исходного и приготовленного растворов.
Объем воды рассчитывают как разность между общим
объемом раствора и рассчитанным объемом уксусной кис‑
лоты.
Раствор кислоты отмеряют бюреткой, объем воды –
с помощью цилиндра.
2. Точные значения концентрации каждого раствора
уксусной кислоты до адсорбции (Сэк)0 определите титрова‑
нием соответствующих растворов 0,1 н раствором щелочи
(NаОН, КОН). Для этого из двух первых колб на титрование
возьмите по 10 мл, из третьей – 5, а из четвертой – 10 мл
раствора уксусной кислоты. Титрование проводите с фе‑
нолфталеином. Определив по результатам титрования (Сэк)0,
рассчитайте массу уксусной кислоты в 100 мл данного рас‑
твора – q
0.
3. На технических весах возьмите четыре навески угля
(m) по 3 г каждая. Эти навески одновременно перенесите
в колбы с приготовленными растворами уксусной кислоты.
Содержимое колб в течение 10 мин тщательно перемеши‑
вайте. По истечении указанного времени содержимое колб
отфильтруйте через бумажные фильтры в чистые колбы.
4. В полученных фильтратах титрованием определите
эквивалентную концентрацию (Сэк) и массу уксусной кис‑
лоты q после адсорбции. Экспериментальные данные и ре‑
зультаты расчетов занесите в табл. 9.
95
Экспериментальные данные по адсорбции
m
õ
m
õ
õ
m
õ
Таблица 9
№
колбы
1
2
3
4
(Сэк)0СэкlgС
q0
эк
на 100 млq на 100 мл
х =
q0‑q
Исходя из экспериментальных данных, постройте два
графика в координатах: а)
– Сэк и б) lg
m
– lgСэк, где Сэк –
молярная концентрация эквивалентов (рис. 6,7).
Рис. 6. Изотерма адсорбции уксусной кислоты
lg
Рис. 7. Изотерма адсорбции Фрейндлиха в ло‑
гарифмических координатах
96
Вычисления
а
а
а
Постоянные К и а можно определить логарифмиче‑
ским путем, если воспользоваться уравнением Фрейндлиха,
записав его в логарифмическом виде. После логарифмиро‑
вания уравнение Г =
х
= КС
1/а
преобразуется в уравнение
m
прямой, не проходящей через начало координат:
х
lg
= lg Г = lgК +
m
1
lgСэк (см. рис. 7).
х
Эта прямая отсекает на координате lg
отрезок ОА,
m
равный lgК в масштабе оси ординат. Тангенс угла наклона
tg α =
1
можно выразить как отношение
АО
, учитывая
ОВ
масштабы по обеим осям. Из графика определите значения
1
К и
.
По полученной формуле
х
= КС
1/а
рассчитайте вели‑
m
чины адсорбции Г для всех четырех опытов и сравните их
с экспериментальными данными.
Лабораторная работа № 10
Определение количества уксусной кислоты,
адсорбированного почвой
Цель работы: определить количество уксусной кисло‑
ты, адсорбированное почвой.
Реактивы: NaОН или КОН (0,1 н), СH3 СОOН (1 М).
Приборы и материалы: пипетки, бюретки, весы тех‑
нические, образцы почвы.
1. В четыре колбочки налейте по 100 мл раство‑
ра уксусной кислоты различной концентрации: 0,025 н;
0,05 н; 0,1 н; 0,2 н и добавьте по 10 г почвы.
97
Колбочки с растворами и почвой встряхивайте в течение
20–30 мин для установления адсорбционного равновесия.
2. В это время определите точную концентрацию ис‑
ходных растворов уксусной кислоты. Для этого пипеткой
отберите по 25 мл каждого из исходных растворов и отти‑
труйте 0,1 н раствором щелочи, применяя в качестве инди‑
катора фенолфталеин. Рассчитайте молярные концентрации
эквивалентов исходных растворов Сэк и титр растворов (Т).
3. После установления адсорбционного равновесия рас‑
творы отфильтруйте отдельно из каждой колбы, причем пер‑
вые небольшие порции фильтрата отбросьте. В фильтрате
определите титрованием равновесную концентрацию уксус‑
ной кислоты. Результаты титрования запишите в таблицу 10.
Таблица 10
Результаты титрования
Кол‑во мл 0,1 н щелочи, израсходованное
Концентрация
СН3 СООН, н
0,025
0,05
0,1
0,2
на титрование 25 мл раствора СН3 СООН, мл
V1V
исходного
раствора
V3V
2
равновесного раствора
V
1
V2V
ср
3
V1‑V
2
V
ср
Количество уксусной кислоты, адсорбированное по‑
чвой, выражается числом моль‑эквивалентов кислоты, при‑
ходящихся на 10 г почвы, и определяется по уравнению:
(V V)BC
X =
1210эк
V
к
,
где X – количество моль‑эквивалентов уксусной кислоты,
адсорбированное 100 г почвы;
(V1–V2) – количество 0,1 н щелочи, эквивалентное коли‑
честву уксусной кислоты, адсорбированному из 20 мл рас‑
твора, мл;
98
Vк – объем раствора кислоты, взятой для титрования;
m
X
m
X
В – объем раствора кислоты, взятой для адсорбции;
m – масса почвы;
Сэк – молярная концентрация эквивалентов кислоты;
100 – масса почвы, на которую производится расчет ад‑
сорбированного количества кислоты, г.
Подставляя численные значения величин в уравнение,
получаем:
X = 5 (V1–V2).
Равновесная концентрация уксусной кислоты выража‑
ется числом моль‑эквивалентов на 1 л раствора и определя‑
ется по уравнению
1000
TC
2
Сэк =
эк
V
,
к
где Vк – объем кислоты; при Vк = 20 мл, Сэк = 0,1 н,
С = 5 Т
2.
Данные опыта занесите в табл. 11.
Таблица 11
Обработка экспериментальных данных
Концентрация
кислоты, н
0,025
0,05
0,1
0,2
X
lg
C
lgС
По опытным данным постройте изотерму адсорбции
в координатах X = f (C) и в логарифмической форме. Опре‑
делите постоянные в уравнении Фрейндлиха и рассчитай‑
те X аналогично предыдущей работе.
99
7. ХРОМАТОГРАФИЯ
7.1. Основные положения
На способности избирательного и последовательного
поглощения адсорбентами растворенных веществ основы‑
вается хроматография – метод разделения и анализа мно‑
гокомпонентных смесей. Впервые этот метод был применен
ботаником М. С. Цветом (1903 г.) для разделения зеленого
вещества растений хлорофилла на составные части.
Разделение веществ основано на различном распреде‑
лении их между двумя фазами – неподвижной и подвижной
(элюентом). Неподвижной фазой является сорбент с разви‑
той поверхностью, а подвижной – поток газа или жидкости,
который фильтруется через слой сорбента или перемещает‑
ся вдоль сорбента.
По механизму разделения компонентов различают хро‑
матографию адсорбционную, распределительную, ионооб‑
менную и осадочную.
В зависимости от агрегатного состояния элюэнта (под‑
вижной фазы) различают газовую и жидкостную хромато‑
графию. По способу разделения различают хроматографию
колоночную, капиллярную, тонкослойную, бумажную.
В зависимости от ввода пробы и способа перемещения
хроматографических зон по слою сорбента различают хро‑
матографию проявительную (или элюентную), фронталь‑
ную и вытеснительную.
Наиболее часто применяется проявительная хрома‑
тография. В этом варианте хроматографии анализируемую
смесь периодически вводят в поток подвижной фазы. В ко‑
лонке смесь разделяется на отдельные компоненты, образуя
слои (или зоны).
Во фронтальном варианте разделяемую смесь непре‑
рывно подают в колонку, часто вместе с подвижной фазой.
100
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]