Лабораторна робота № 1 «адсорбція»

Перед тим, як виконувати лабораторну роботу, необхідно засвоїти основні поняття (адсорбент, адсорбат, ізотерма адсорбції), ознайомитися з кількісним описом залежності величини адсорбції на твердому адсорбенті від концентрації адсорбата (рівняння Фрейндліха та Ленгмюра). Слід звернути особливу увагу на одиниці вимірювання та методику визначення величини адсорбції, а також на розрахунок констант ізотерм адсорбції.

Метою роботи є експериментальне встановлення параметрів адсорбційного процесу на твердій поверхні.

Стислі теоретичні відомості

Тверді тіла, що контактують з розчином, здатні поглинати деяку кількість розчиненої речовини, накопичуючи її на своїй поверхні. Аналогічні явища спостерігаються і при контакті твердих тіл з газами. Процес адсорбції можна розглядати як самочинну зміну концентрації одного з компонентів гетерогенної системи на межі поділу фаз. Фаза гетерогенної системи, на поверхні якої відбувається адсорбція, називається адсорбентом, речовина, що адсорбується, – адсорбатом. Причиною адсорбції є те, що поверхневі молекули адсорбенту енергетично ненасичені і мають надлишок вільної поверхневої енергії. Щоб зменшити цей надлишок, поверхня адсорбенту поглинає молекули адсорбату з оточуючого газу або розчину. При цьому величина вільної енергії системи зменшується (ΔG < 0), тому даний процес перебігає самочинно.

Величину адсорбції прийнято виражати або як відношення кількості речовини адсорбату до одиниці площі поверхні адсорбенту (кмоль/м²), або як відношення кількості речовини адсорбату до одиниці маси адсорбенту (кмоль/кг). В останньому випадку вона називається питомою адсорбцією. Величина адсорбції залежить від природи адсорбенту, стану та величини площі його поверхні, природи адсорбату, температури, концентрації розчину (у випадку адсорбції газу або пари – від їх парціального тиску). На адсорбцію з розчинів впливає також природа розчинника.

Залежність величини адсорбції від рівноважної концентраціїадсорбату у розчині за сталої температури називається ізотермою адсорбції (рис.1).

Рис.1. Ізотерма мономолекулярної адсорбції за Ленгмюром

При малих значеннях рівноважної концентрації адсорбату в розчині величина адсорбції збільшується прямо пропорційно цій концентрації, при середніх значеннях на ізотермі адсорбції спостерігається випукла ділянка, а при великих значеннях рівноважної концентрації адсорбатупрагне до певної величини, яку називають граничною адсорбцією і позначаютьa _.

При адсорбції з розчинів ізотерма адсорбції у широкому діапазоні концентрацій адсорбату добре описується рівнянням Ленгмюра:

,

(1.1)

де a – величина адсорбції (кмоль/кг) за рівноважної концентрації адсорбату (моль/м³); a_∞ – гранична адсорбція (кмоль/кг); К – константа рівноваги процесу адсорбції (м³/кмоль).

Криволінійну ділянку ізотерми адсорбції добре описує рівняння Фрейндліха

,

(1.2)

де k і n – емпіричні константи.

Робота 1.1. Адсорбція органічної кислоти вугіллям з водного розчину Хід виконання роботи

1. Визначити концентрацію вихідного розчину одноосновної карбонової кислоти (мурашиної, оцтової або пропіонової  за вказівкою викладача). Для цього відібрати піпеткою зі склянки з кислотою в колбу для титрування 5 см³ розчину кислоти та відтитрувати його 0,1–молярним розчином лугу КОН в присутності індикатора – фенолфталеїну. Розчин титрувати 3 рази до одержання результатів, що співпадають між собою з точністю ± 0,2 см³. Результати титрування занести в табл. 1.1. За середнім значенням об’єму розчину лугу, витраченого на титрування, розрахувати концентрацію вихідного розчину кислоти.

Таблиця 1.1. Дані для розрахунку концентрації вихідного розчину кислоти

Назва кислоти	Об’єм розчину лугу, витраченого на титрування, , см3
	1 проба	2 проба	3 проба	Середнє значення
Концентрація кислоти у вихідному розчині, кмоль/м3:

2. Приготувати п’ять розчинів кислоти різних концентрацій об’ємом 60 см³ кожний, відміряючи бюреткою в п’ять окремих колб зазначені в табл. 1.2 об’єми вихідного розчину кислоти (V_к-ти) та дистильованої води (V_води). Розрахувати початкові концентрації кислоти (кмоль/м³) у п’яти отриманих розчинах за рівнянням:

,

де V_к-ти – об’єм вихідного розчину кислоти (см³) із концентрацією с_к-ти, взятого для приготування розчину за табл. 1.2. Результати розрахунків записати у табл. 1.4.

Таблиця 1.2. Дані для приготування розчинів кислоти

Номер колби	1	2	3	4	5
Vк-ти , см3	50	35	20	10	6
Vводи, см3	10	25	40	50	54

3. Зважити на технічних терезах з точністю до 0,01 г 5 наважок активованого вугілля масою 1 г (або іншою масою за вказівкою викладача).

4. Висипати зважені наважки активованого вугілля в колби з приготованими розчинами. Процес адсорбції повинен тривати не менше 20 хвилин до встановлення адсорбційної рівноваги. Протягом цього часу вміст колб необхідно періодично (з інтервалом у півтори – дві хвилини) збовтувати.

5. Після встановлення рівноваги профільтрувати розчини у пронумеровані чисті колби в два етапи:

– спочатку через сухі! складані паперові фільтри пропустити перші порції розчинів (~ 1/10 всього об’єму кожного з розчинів, тобто 57 см³), змочуючи таким чином фільтри. Ці перші частини фільтратів необхідно вилити, оскільки концентрація кислоти в них занижена внаслідок її адсорбції на фільтрувальному папері;

– після цього профільтрувати залишки розчинів.

6. Відтитрувати отримані фільтрати, відбираючи піпеткою з кожної колби об’єми проб, які зазначено в табл. 1.3 (для забезпечення однакової точності титрування об’єми аліквот для фільтратів із різним вмістом кислоти повинні бути різними). Титрування, як і в попередніх випадках, проводити 0,1 М розчином лугу в присутності фенолфталеїну 2 рази до одержання співпадаючих з точністю ± 0,2 см³ результатів. Об’єми витраченого на титрування розчину лугу записати в табл. 1.3.

Таблиця 1.3. Результати титрування розчинів кислоти

Номер колби	1	2	3	4	5
Vпроби, см3	5	5	10	20	20
Vлугу, см3
,см3

7. Визначити рівноважні концентрації кислоти с у розчинах за формулою:

,

де – концентрація розчину лугу, кмоль/м³; V_лугу – об’єм розчину лугу, який витрачено на титрування об’єму V_проби, см³. Розраховані значення рівноважних концентрацій кислоти у фільтратах занести у табл. 1.4.

8. Використовуючи дані табл. 1.4, обчислити експериментальні значення питомої адсорбції a_експ. (кмоль/кг):

,

де – початкова концентрація кислоти у розчині, кмоль/м³; с – рівноважна концентрація кислоти після встановлення адсорбційної рівноваги, кмоль/м³; V – об’єм розчину кислоти (в нашому випадку V = 60 см³ = 60·10^–6 м³); m – маса наважки активованого вугілля, кг. Записати обчислені експериментальні значення питомої адсорбції у табл. 1.4.

9. Апроксимувати експериментально отримані значення величини адсорбції за допомогою рівняння Фрейндліха (1.2), користуючись для визначення його констант логарифмічною формою у вигляді:

.

Для цього розрахувати значення логарифмів рівноважних концентрацій і логарифмів величин експериментальної адсорбції, записати їх у табл. 1.4 та побудувати графік в координатах (рис. 2).

В зазначених координатах рівняння Фрейндліха є прямою, тангенс кута нахилу якої дорівнює ,авідрізок, який лінія відтинає на осі ординат, відповідає .

Рис. 2. Графік для визначення констант рівняння Фрейндліха

10. Користуючись отриманими значеннями констант k та n, обчислити за рівнянням (1.2) для кожної рівноважної концентрації с апроксимовані величини питомої адсорбції a_апр.. Розраховані апроксимовані значення записати у табл. 1.4, побудувати графік і визначити за ним максимальне експериментальне значення величини адсорбції a_max.

Таблиця 1.4. Експериментальні та розрахункові дані адсорбції кислоти на вугіллі

Номер колби	, кмоль/м3	с, кмоль/м3	аексп., кмоль/кг		aексп.	аапр., кмоль/кг
1
2
3
4
5

11. Визначити константи ірівняння Ленгмюра (1.1), використовуючи його лінеаризовану форму

.

Для цього розрахувати значення величин та побудувати лінійну залежність (рис. 3). За графіком обчислити величину граничної адсорбції a_, яка є оберненою до тангенса кута нахилу прямої. За величиною граничної адсорбції та за відрізком, який пряма відтинає на осі ординат, розрахувати константу рівняння Ленгмюра.

12. Визначити ефективність процесу адсорбції  за формулою:

,

де а_mах – максимальне експериментальне значення величини адсорбції.

Рис. 3. Графік для визначення граничної адсорбції та константи рівноваги процесу

13. Розрахувати значення питомої поверхні адсорбенту за величиною граничної адсорбції, скориставшись рівнянням

,

де a_ – величина граничної адсорбції; N_A – число Авогадро; S₀ – площа, яку займає молекула кислоти на поверхні адсорбенту. Ця площа визначається розміром гідрофільної частини молекули, тому для молекул одного гомологічного ряду вона є однаковою. У випадку одноосновних карбонових кислот S₀ = 2210^–20 м² = 22 Ų.

Звіт

Таблиці 1.1, 1.3 та 1.4.

Графіки ;;.

Константи рівняння Фрейндліха k = та n = .

Величина граничної адсорбції a_ = кмоль/кг.

Константа рівняння Ленгмюра K = м³/кмоль.

Ефективність адсорбції  = %.

Питома поверхня активованого вугілля S_пит. = м²/кг.

Висновок.