химия лабораторный практикум

40

Порядок проведения эксперимента

Группа студентов (2-3 человека) взвешивает 0,1 г адсорбента для определения адсорбции при одной исследуемой концентрации метилового оранжевого.

Адсорбент помещают в стакан емкостью 50 мл, приливают 20 мл раствора метилового оранжевого исследуемой концентрации.

Содержимое стакана перемешивают и выдерживают 10 минут (периодически взбалтывая), затем отфильтровывают в коническую колбу через бумажный фильтр.

Определяют концентрацию метилового оранжевого в исходном растворе и в фильтрате фотоколориметрическим методом. Для этого наливают исходный раствор в рабочую кювету фотоэлектроколориметра и измеряют оптическую плотность(А0) или пропускание (П0, %) при длине волны 492 нм. По градуировочному графику находят концентрацию метилового оранжевого, соответствующую полученным значениям пропускания. Далее аналогичные измерения проводят для фильтрата.

Результаты определения заносят в табл. 3.

Адсорбцию (а, мг/г) рассчитывают по формуле

где V – объем раствора метилового оранжевого, л;

C0 – исходная концентрация метилового оранжевого, мг/л;

Са – равновесная концентрация метилового оранжевого в фильтрате после адсорбции, мг/л; m – масса адсорбента, г.

П р и м е ч а н и е. В данном опыте V = 0,02 л; m = 0,1 г.

41

Результаты опыта используют для построения изотермы адсорбции метилового оранжевого в координатах а – Cа.

Затем строят графическую зависимость 1/а – 1/Са соответственно рис. 12 и находят по графику величину максимальной адсорбции (аmax) и константу адсорбционного равновесия (k).

На основании полученных в опыте 1 величин а, аmax, k:

1)Оценивают изменение адсорбции с повышением концентрации метилового оранжевого и возможность описания полученной зависимости уравнением Ленгмюра.

2)Определяют относительную погрешность опытного значения аmax(оп) и по графику аmax (гр) = f(C) по формуле

3)Сравнивают величины аmax и k для различных адсорбентов, определяют наиболее эффективный для адсорбции метилового оранжевого.

Вопросы для самоконтроля и повторения

1.Дайте определение ―адсорбция‖.

2.В чем суть физической и химической адсорбции?

3.Что представляет собой изотерма адсорбции? Какие изотермы Вы знаете ?

4.При каких условиях наступает адсорбционное равновесие ? Как можно сместить адсорбционное равновесие?

5.Как определить адсорбционные характеристики из уравнения Ленгмюра?

Опыт 2. Десорбция метилового оранжевого

Цель опыта: определение величины десорбции метилового оранжевого, необратимой адсорбции и степени необратимости адсорбции.

Порядок проведения эксперимента

Фильтр с адсорбентом (из опыта 1) помещают в стакан емкостью 50 мл и приливают 20 мл дистиллированной воды. Содержимое стакана перемешивают и выдерживают 20 минут (периодически взбалтывая), затем отфильтровы-

42

вают в коническую колбу через бумажный фильтр. Определяют концентрацию метилового оранжевого в фильтрате.

Результаты определения заносят в табл. 4.

где V – объем раствора, л; Сд – равновесная концентрация метилового оранжевого в фильтрате после десорбции, мг/л; m – масса адсорбента, г.

П р и м е ч а н и е. В данном опыте V = 0,02 л; m = 0,1 г.

Степень необратимости адсорбции ( н) рассчитывают по формуле

На основании полученных в опыте 2 величин D, aн, н определяют:

при какой концентрации степень необратимости адсорбции наибольшая;

сравнивают величины н для различных адсорбентов, определяют наиболее эффективный для адсорбции метилового оранжевого.

43

Вопросы для самоконтроля и повторения:

1.Дайте определение понятия ―десорбция‖.

2.Как можно сместить адсорбционное равновесие в сторону десорбции?

3.Как рассчитать величину адсорбции?

4.Что представляют собой понятия ―необратимая сорбция‖ и ―степень необратимости‖?

5.Как изменяется величина десорбции с повышением температуры?

Опыт 3. Адсорбция органической кислоты из водного раствора на раз-

личных адсорбентах (Учебно-исследовательская работа)

Цель опыта:

Провести адсорбцию уксусной кислоты из водного раствора на различных минеральных и искусственных адсорбентах

Определить концентрацию раствора кислоты после адсорбции.

Рассчитать по опытным данным удельную адсорбцию аоп и построить изотерму адсорбции.

Построить график функции lg aоп = f(lg C) и определить константы K и n уравнения Фрейдлиха.

Рассчитать по найденным графическим методом константам удельную адсорбцию агр и определить относительную погрешность величины аоп.

Построить график функции аоп = f(С) и определить предельное значение удельной адсорбции.

Вычислить удельную площадь поверхности твердого адсорбента.

Порядок проведения эксперимента

1. В шесть пронумерованных сухих колб помещают взвешенные на электронных (с точностью 10-2 г) весах навески сорбента массой 1 г. Каждую навеску сорбента заливают 50 мл раствора кислоты соответствующей концентрации. Содержимое колб тщательно перемешивают и записывают время начала адсорбции в табл. 5.

По истечении 15 минут растворы отфильтровывают, причем первые 10 мл фильтрата отбрасывают (предварительно ополоснув этим раствором колбочку), так как в первых порциях фильтрата концентрация кислоты снижена вследствие адсорбции ее бумагой.

44

2. Для определения равновесной концентрации кислоты после адсорбции поступают следующим образом. Из каждого раствора в колбу мерной пипеткой отбирают 5 мл пробы и титруют 0,1 н раствором гидроксида натрия в присутствии фенолфталеина. Титрование повторяют 2-3 раза и рассчитывают среднее значение (Vср).

Равновесную концентрацию кислоты (С) после адсорбции рассчитывают по формуле

где СNaOH – концентрация щелочи, взятой для титрования, равная 0,1 кмоль/м3 (моль/л);

Vщелочи – объем щелочи, необходимый для титрования 5 мл кислоты, мл;

Vпробы (кислоты) = 5 мл.

3. На основании полученных данных производят расчет удельной адсорбции по формуле (34):

где аоп – удельная адсорбция, кмоль/кг; С0 – концентрация кислоты до адсорбции, кмоль/м3 (моль/л);

С – равновесная концентрация кислоты после адсорбции, кмоль/м3(моль/л); Vкислоты – объем кислоты, V = 50 мл = 50 10-6 м3;

m – навеска сорбента, m = 1 10-3 кг (1 г).

Все экспериментальные данные и результаты вычислений записывают в

табл. 6.

45

Таблица 6

Строят изотерму адсорбцию аоп = f(С).

4. Для определения границ использования эмпирического уравнения изотермы адсорбции а = K Сn строят график функции lg аоп = f(lg С) и находят константы K и n. График зависимости lg аоп = f(lg С) представляет собой прямую линию (см. рис. 9)

отсекающую отрезок на оси ординат, численно равный lg K, а

При определении lg K и tg необходимо учитывать масштабы по обеим

осям.

5. Определив значения констант и подставив их в уравнение (41) для всех значений lg С, получают значения lg агр. Вычислив агр для всех опытов, рассчитывают относительную погрешность П в процентах по формуле

преобразованным уравнением Ленгмюра (33).

Построив график зависимости 1/а – 1/С, находят величину аmax по отрезку, отсекаемому прямой от оси ординат (рис. 12), а величину k как тангенс угла наклона к оси абсцисс.

7. Удельную площадь поверхности адсорбента S вычисляют следующим образом. Так как адсорбированные молекулы образуют монослой с наиболее плотной упаковкой, то число молей, помещающихся на единице площади поверхности, определяется только площадью поперечного сечения молекулы и

46

не зависит от природы поверхности. Поэтому для вычисления удельной площади поверхности твердого адсорбента (S, м2/кг) используют следующую формулу

Вопросы для самоконтроля и повторения

1.Как определить предельное значение удельной адсорбции?

2.Что называют удельной площадью поверхности твердого адсорбента?

3.Как определить удельную площадь поверхности твердого адсорбента?

Лабораторная работа № 3

АДГЕЗИЯ. КОГЕЗИЯ. СМАЧИВАНИЕ И РАСТЕКАНИЕ ЖИДКОСТИ

ОПРЕДЕНИЕ КРАЕВОГО УГЛА СМАЧИВАНИЯ ТВЕРДЫХ ТЕЛ

Цель работы: ознакомление с понятиями адгезии, когезии; экспериментальное определение краевого угла смачивания данной жидкости на исследуемой поверхности твердого тела; расчет краевого угла смачивания; выводы из работы.

Теоретическая часть

Адгезия, смачивание и растекание относятся к межфазным взаимодействиям, происходящим между конденсированными фазами (в системах жидкость – твердое тело, жидкость – жидкость, твердое тело – твердое тело).

Термин «Адгезия» происходит от латинского adhaesio – прилипание. В справочной литературе адгезия трактуется как слипание разнородных твердых или жидких тел (фаз), соприкасающихся своими поверхностями.

47

Следовательно, адгезионные процессы происходят за счет межфазного взаимодействия или взаимодействия между контактирующими поверхностями конденсированных тел разной природы. Прочность прилипания обусловлена межмолекулярными силами.

Смачивание и растекание предполагает наличие в системе хотя бы одной жидкой фазы. Данные процессы могут быть обусловлены адгезионными взаимодействиями. Адгезия между твердыми телами возможна при предварительном переводе одной из фаз в жидкое состояние для повышения интенсивности молекулярно-кинетического движения с целью осуществления необходимого контакта. Поэтому чаще всего адгезия и смачивание сопровождают друг друга и соответствующим образом характеризуют межфазное взаимодействие.

Явления адгезии и смачивания широко распространены в природе и в различных технологических процессах: склеивание материалов, нанесение лакокрасочных и неорганических покрытий, получение материалов на основе связующих и наполнителей (бетон, резина, стеклопластики и др.), сварка и паяние металлов, печатание, крашение. Все эти процессы связаны с адгезией и смачиванием, которые в значительной степени определяют качество материалов и изделий.

Более изучены системы, в которых имеется по меньшей мере одна жидкая фаза, что позволяет обеспечивать равновесные обратимые условия и, соответственно, использовать термодинамические соотношения.

Адгезия сопровождается уменьшением поверхностной энергии, т.е. это процесс самопроизвольный. Работа адгезии Wa характеризует прочность адгезионной связи. Она определяется работой обратимого разрыва адгезионной связи, отнесенной к единице площади. Работа адгезии Wa измеряется в Дж/м2.

Полная работа адгезии, приходящаяся на всю площадь контакта тел S,

равна

Каково соотношение между работой адгезии и поверхностным натяжением взаимодействующих компонентов? Для демонстрации этого процесса возьмем две системы: жидкость-жидкость и жидкость-твердое тело. Допускаем, что они взаимно нерастворимы. При нанесении одного вещества на другое происходит адгезия. Возникает межфазное натяжение (система остается

48

двухфазной). В результате энергия Гиббса системы уменьшается на величину, равную работе адгезии:

Рис. 1. Межфазное натяжение в системах газ-жидкость-твердое тело

К выводу соотношения между работой адгезии и поверхностными натяжениями взаимодействующих компонентов (уравнение Дюпре):

1 - газ; 2 - жидкость; 3 - твердое тело. С учетом уравнения (2) получаем уравнение Дюпре:

Это уравнение отражает закон сохранения энергии при адгезии (закон Дюпре). Из закона Дюпре следует, что работа адгезии тем больше, чем выше поверхностное натяжение исходных компонентов и чем меньше конечное межфазное натяжение. С другой стороны, чем больше работа адгезии, тем меньше межфазное натяжение. Межфазное натяжение становится равным нулю в том случае, когда исчезает межфазная поверхность, т.е. при полном растворении фаз, когда

49

Условие растворения состоит в том, что работа адгезии между взаимодействующими телами должна быть равна или больше среднего значения суммы их работ когезии без учета энтропии смешения, способствующая растворению.

Межфазное натяжение зависит от температуры. При повышении температуры взаимная растворимость фаз может увеличиваться, тогда межфазное натяжение уменьшается. Возможно также уменьшение взаимной растворимости фаз, тогда межфазное натяжение увеличивается. Такая же зависимость наблюдается и для межфазной границы жидкость - твердое тело. Отсюда вывод, что производная d /dT для границы раздела конденсированных фаз может быть больше, меньше или равна нулю. Последнее сопровождается выравниванием состава фаз при полном взаимном растворении фаз.

Кроме понятия работа адгезии (Wa) существует понятие адгезионная прочность (Wn) - это работа, затраченная на разрушение адгезионного соединения. Величина Wn состоит из работы разрыва межмолекулярных связей (работа Wa) и работы, затраченной на деформацию компонентов адгезионного соединения, т.е. работы деформации (Wдеф):

Чем прочнее адгезионное соединение, тем в большей степени подвергаются деформации компоненты системы к моменту ее разрушения. В некоторых случаях Wдеф >> Wa. С возрастанием скорости приложения нагрузки на систему роль деформации растет.

Существует несколько теорий адгезии.

Адсорбционная теория адгезии получила наиболее широкое распространение. Суть ее заключается в том, что между поверхностями адгезива и субстрата при достаточно близком расстоянии возникают межатомные и межмолекулярные силы. Наиболее часто возникают Ван-дер-Ваальсовы, водородные связи, но могут образовываться и гораздо более сильные ковалентные, ионные или металлические связи. Не исключена возможность межфазного до- норно-акцепторного взаимодействия. В табл. 1 приводятся виды связей, образующихся при адгезии по адсорбционной теории, и диапазоны энергий, характерных для этих связей.