3.3 Контрольные вопросы и задачи Адсорбция на границе твердое тело–газ

1. Поверхность раздела фаз. Нескомпенсированность сил молекулярного взаимодействия на границе раздела фаз. Поверхностное натяжение – удельная энергия Гиббса.

2. Поверхностные явления и их классификация.

3. Физическая адсорбция и хемосорбция.

4. Природа адсорбционного взаимодействия. Количественное выражение адсорбции.

5. Зависимость адсорбции газа от температуры и давления.

6. Основы теории мономолекулярной адсорбции.

7. Уравнение Ленгмюра и его анализ.

8. Уравнение полимолекулярной адсорбции по теории БЭТ.

9. Эмпирическое уравнение адсорбции Фрейндлиха.

10. Адсорбция паров пористыми адсорбентами. Капиллярная конденсация.

11. Типы адсорбентов и их характеристика.

12. Практическое применение адсорбции газов и паров.

Адсорбция на границе жидкость–газ

1. Поверхностное натяжение растворов. Поверхностно-активные и инактивные вещества.

2. Уравнение Гиббса и его анализ.

3. Правило Траубе.

4. Формула Шишковского.

5. Строение и свойства адсорбционных слоев.

6. Адсорбция на границе жидкость - жидкость.

Адсорбция на границе жидкость–Твердое тало

1. Молекулярная адсорбция из растворов.

2. Правило Траубе для адсорбции на твердой поверхности.

3. Ориентация молекул ПАВ в поверхностном слое.

4. Правило полярностей Ребиндера.

5. Адсорбционное понижение прочности.

6. Адсорбция из растворов электролитов.

7. Ионообменная адсорбция.

8. Природные и синтетические иониты.

9. Хроматография.

1. Вычислите удельную поверхность катализатора, если для образования монослоя молекул на нем должно адсорбироваться 0,1 м³/кг азота (объем приведен к нормальным условиям). Площадь молекулы азота в монослое равна 16,2^.10^–20 м².

2. Вычислите удельную поверхность суспензии каолина (плотность 2,5^.10³ кг/м³), если ее частицы принять шарообразными и средний диаметр частиц 0,5^.10^–6 м. Суспензия монодисперсна.

3. Поверхностное натяжение виноградного сока ( = 48 мДж/м², краевой угол смачивания нержавеющей стали ₁ = 50°, а полиэтилена ₂ =100°. Во сколько раз равновесная работа адгезии сока к нержавеющей стали больше, чем к полиэтилену?

4. Число капель воды, вытекающей из шарика сталагмометра, равно 54,8; 54,6; 54,7. Среднее число капель исследуемого раствора равно 88,2. Поверхностное натяжение воды при температуре опыта (18 °С) ₀ = 72,38 мДж/м². Относительная плотность раствора /_о = =1,1306. Вычислите  раствора.

5. Во сколько раз поверхностное натяжение глицерина выше поверхностного натяжения оливкового масла, если в капилляре с радиусом r = 0,4^.10^–3 м столбик первого поднялся на h₁ = 26,8^.10^–3 м, а второго – на h₂ = 18,8^.10^–3 м? плотность глицерина _г = 1,26^.10³ кг/м³, оливкового масла _м = 0,94^.10³ кг/м³.

6. Во сколько раз поверхностное натяжение ртути превышает поверхностное натяжение глицерина, если в капилляре радиусом r = 0,6^.10^–3 м столбик ртути опустился на 12·10^–3 м ниже, а глицерина поднялся на 17,8 ^.10^–3 м выше уровня жидкости в сосуде? Плотность ртути _р = 13,6·10³ кг/м³, глицерина _г = 1,26·10³ кг/м³.

7. даны константы уравнения Шишковского для водного раствора валериановой кислоты при 273 К: а = 14,72^.10^–3, b = 10,4. При какой концентрации поверхностное натяжение раствора будет составлять 52,1^.10^–3 Н\м?

8. Используя константы уравнения Шишковского (а = 12,6^.10^–3, b = 21,5), рассчитайте поверхностное натяжение водных растворов масляной кислоты при 273 К для следующих концентраций (кмоль/м³): 0,007; 0,021; 0,05; 0,104 – и постройте кривую в координатах  = f(С). Поверхностное натяжение воды при этой температуре 75,49^.10^–3 Н\м.

9. Пользуясь графическим методом, определите поверхностную активность масляной кислоты на границе ее водного раствора с воздухом при 293 К по следующим экспериментальным данным:

С, кмоль/м3	0,00	0,021	0,050	0,104	0,246
 .103, Н/м	72,53	68,12	63,53	58,60	50,30

10. Определите адсорбцию пропионовой кислоты на поверхности раздела водный раствор-воздух при 273 К и концентрации 0,5 кмол­ь/м³ по константам Шишковского: а = 12,5 10^–3 и b = 7,73. _о = 75,49·10^–3 Н/м.

11. Вычислите адсорбцию масляной кислоты на поверхности раздела водный раствор-воздух при 283 К и концентрации 0,104 кмоль/м³, используя следующие экспериментальные данные:

С, кмоль/м3	0,00	0,021	0,050	0,104	0,246	0,489
 .103, Н/м	74,01	69,51	64,30	59,85	51,09	44,00

12. По экспериментальным данным постройте кривую адсорбции СО₂ на цеолите при 293 К и с помощью графического метода определите константы уравнения Ленгмюра:

Равновесное давление Р. 10–2, Па	1,0	5,0	10,0	30,0	75,0	100,0	200,0
Адсорбция Г.103, кг/кг	35,0	86,0	112,0	152,0	174,0	178,0	188,0

13. Используя уравнение Ленгмюра, вычислите адсорбцию азота на цеолите при давлении р=2,8^.10² Па, если Г_ = 38,9^.10^–3 кг/кг, а b = 0,156^.10^–2.

14. При какой концентрации поверхностное натяжение раствора валериановой кислоты будет равно 52,1 мДж/м², если при температуре 273 К коэффициенты уравнения Шишковског­о а =14,72^.10^–3, b =10,4? Поверхностное натяжение воды ₀= =75,59 мДж/м².

15. Испол­ьзу­я уравнение Ленгмюра, вычислите адсорбцию пропионовой кислоты на поверхности раздела водный раствор – воздух при 293 К и концентрации С = 0,1кмоль/м³, если известны константы уравнения Шишковского а = 12,8^.10^–3, b =7,16 , ₀= 72,75 мДж/м².

16. Рассчитайте поверхностную активность валериановой кислоты на границе ее водного раствора с воздухом при 353 К и концентрации 0,01 кмоль/м³ по константам Шишковского: а = 17,7^.10^–3, b = 19,72, ₀ = 62,8 мДж/м².

17. Для водного раствора пропилового спирта определены следующие значения константы уравнения Шишковского (при 293 К): а = 14,4^.10^–3 Н/м, b = 6,6. Вычислите поверхностное натяжение раствора с концентрацией, равной 1кмоль/м³. При этой температуре ₀ = 72,75мДж/м².

18. Смесь из 250 мл 0,07 %-ного водного раствора метилового оранжевого и 0,209мл минерального масла встряхивалась до образования эмульсии со средним диаметром капель масла 4,35^.10^–7 м. После адсорбции на поверхности капель концентрация метилового оранжевого в растворе уменьшилась на 0,032 %. Определите адсорбцию метилового оранжевого на поверхности капель эмульсии по экспериментальным данным и на основе расчета по уравнению Гиббса. Зависимость поверхностного натяжения водного раствора метилового оранжевого от концентрации приведена ниже

С, %	0	0,018	0,036	0,073
 .103, Дж/м2	48	44,49	42,81	40,41

Формула метилового оранжевого: HO₃S–C₆H₄–N=N–C₆H₄–N(CH₃)₂.

19. При встряхивании смеси 0,175 см³ минерального масла с 250 см³ 0,1 %-ного водного раствора конго получена эмульсия с радиусом капель масла 4,35^.10^–7 м. Содержание конго в растворе уменьшилось на 0,045 г. Молекулярная масса конго равна 690. Зависимость поверхностного натяжения водного раствора конго от концентрации:

С, %	0,0	0,02	0,05	0,1	0,12	0,2
 .103, Дж/м2	48	43,87	41,52	37,20	37,20	37,20

Вычислите адсорбцию конго на каплях эмульсии на основе экспериментальных данных и теоретического расчета по уравнению Гиббса. Для вычисления d/dC применить графический метод.

20. После перемешивания 1·10^–3 кг порошка костяного угля с 1·10^–4 м раствора метиленового голубого с концентрацией 10^–4 кмоль/м³ равновесная концентрация последнего стала равна 0,6·10^–4 кмоль/м³. Если навеску угля удвоить (2^.10^–3­ кг), равновесная концентрация раствора становится равной 0,4^.10^–4 кмоль/м³. Используя уравнение Ленгмюра, рассчитайте удельную поверхность угля. Площадь молекулы метиленового голубого в монослое равна 65^.10^–20 м².

21. По экспериментальным данны­м адсорбции СО₂ на активированном угле определите константы уравнения Ленгмюра, пользуясь которыми надо рассчитать и построить кри­вую адсорбции:

Равновесное давление, р.10–2, Па	9,9	49,7	99,8	200,0	297,0	398,5
Адсорбция Г.103, кг/кг	32,0	70,0	91,0	102,0	107,3	108,0

22. Раствор пальмитиновой кислоты С₁₆Н₃₂О₂ в бензоле содержит 4,24 г/л кислоты. После нанесения раствора на поверхность воды бензол испаряется, и пальмитиновая кислота образует мономолекулярную пленку. Какой объем раствора кислоты требуется, чтобы покрыть мономолекулярным слоем поверхность S_мол = 21^.10^–20 м².

23. Вычислите удельную поверхность катализатора S_уд, на которой при образовании монослоя адсорбируется 103 см³/г азота при р = 1,0133^.10⁵ Па и 273 К. Эффективная площадь, занимаемая молекулой азота в монослое, равна 16,2^.10^–20 м².

24. При 273 К и соответствующем давлении 1 кг активированного угля адсорбирует следующее количество азота:

р.10–3, Па	0,524	7,495
g(N2) .103, кг	1,234	12,886

Определите константы b и Г_ уравнения Ленгмюра, а также степень  заполнения поверхности угля при р = 3·10³ Па.

25. Вычислите площадь S_мол., приходящуюся на молекулу стеариновой кислоты и толщину пленки , покрывающей поверхность воды, если известно, что 0,1^.10^–6 кг стеариновой кислоты покрывает поверхность воды, равную 5^.10^–2 м². молекулярная масса стеариновой кислоты равна 284, плотность 0,85^.10³ кг/м³.

26. Определите константы уравнения Фрейндлиха при адсорбции СО коксовым углем. Условия опыта:

р.10–3, Па	1,34	2,50	4,25	5,71	7,18	8,90
x/m, ммоль/кг	0,38	0,58	1,016	1,17	3,33	1,46

27. Постройте кривую адсорбции СО₂ на активированном угле при 231 °С и определите константы эмпирического уравнения Фрейндлиха, используя следующие экспериментальные данные:

Равновесное давление, р.10–2, Па	10,0	44,8	100,0	144,0	250,0	452,0
Адсорбция Г.103, кг/кг	32,3	66,7	96,2	117,2	145,0	177,0

28. При адсорбции бензойной кислоты углем из раствора в бензоле при 25 ^оС получены следующие данные:

С.10–3, моль/м3	0,006	0,025	0,053	0,118
x/m, моль/кг	0,44	0,78	1,04	1,44

Определите графическим способом константы уравнения Фрейндлиха.