01.Лечебное дело / Общая химия / Литература / МУРОМЦЕВА ПРАКТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

Вариант 10

1.В 1 м3 содержится 140 г сульфата магния. Вычислите жесткость этой воды.

2.Чему равна карбонатная жесткость воды, если в 1 л ее содержится 0,292 г гидрокарбоната магния и 0,2025 г гидрокарбоната кальция?

Вариант 11

1.Вода, содержащая только гидрокарбонат магния, имеет жесткость 3,5 мэкв. Какая масса гидрокарбоната магния содержится в 200 л этой воды?

2.Какую массу гидроксида кальция надо прибавить к 275 л воды, чтобы устранить ее карбонатную жесткость, равную 5,5 ммоль/л?

Вариант 12

1.К 1 м3 жесткой воды прибавили 132,5 г карбоната натрия. Как изменилась жесткость воды?

2.Определить общую щелочность воды, если на титрование 350 см3 пробы пошло 21,5 см3 0,2н раствора HCl?

Вариант 13

1.Чему равна жесткость воды, если для ее устранения к 50 л воды потребовалось прибавить 21,2 г карбоната натрия?

2.Химические свойства воды. Взаимодействие воды с металлами, оксидами.

Вариант 14

1. Какая масса CaSO4 содержится в 200л воды, если жесткость, обу-

словливаемая этой солью, равна 8 ммоль/л?

2. Опишите строение молекулы воды. Объясните, почему молекула воды является полярной. Возможно ли реальное состояние воды, соответствующее формуле (Н2О)n, где n = 1?

Вариант 15

1.Вода, содержащая только гидрокарбонат кальция, имеет жесткость 9 ммоль/л. Какая масса гидрокарбоната кальция содержится в 500 л воды?

2.Карбонатная жесткость равна 5 ммоль/л. Вычислите, какое количество Ca(НСO3 )2 содержится в 5 л этой воды.

Вариант 16

1.Какую массу карбоната натрия надо прибавить к 0,1 дм3 воды, чтобы устранить жесткость, равную 4 ммоль/л?

2.Определить общую кислотность воды, если на титрование 250 см3 пробы пошло 25 см3 раствора NaOH с концентрацией 0,1 моль/л.

31

3.4. Экспериментальная часть

Приборы и материалы: мерная посуда; цилиндры на 10:100 см3; 250 см3; пипетки на 50:100 см3; конические колбы на 250 см3; раствор жидкости; бюретки; стеклянные воронки; бумажные фильтры; технические весы с разновесами.

Опыт № 1. Определение карбонатной жесткости воды

метиловый оранжевый.

Определение основано на титровании пробы воды раствором соляной кислоты известной концентрации с индикатором метиловым оранжевым (рис. 3.1). Стехиометрические уравнения определения:

Mg(HCO3 )2 2HCl MgCl2 H2O CO2,

Ca(HCO3 )2 2HCl CaCl2 H2O CO2.

Бюретку сполоснуть титрованным раствором соляной кислоты с молярной концентрацией 0,1 моль/дм3 и заполнить еѐ этим раствором до нулевого деления. Отмерить 100 см3 исследуемой воды, перенести в коническую колбу, добавить

3–4 капли индикатора метилоранжа и тит- Рис. 3.1. Установка для титрования ровать раствором кислоты из бюретки до

перехода желтой окраски раствора в оранжево-красную. Записать объем раствора соляной кислоты, пошедшей на титрование.

Опыт повторить, для расчета надо взять среднее значение объема кислоты в миллилитрах. Допустимое расхождение объемов раствора соляной кислоты при проведении параллельных опытов не должно превышать 0,1 см3. Если расхождение выше, то опыт следует повторить.

По полученным данным рассчитать карбонатную (временную) жесткость воды, моль/дм3,

где VН2О – объем воды; VНCl – объем кислоты, см3.

32

Опыт № 2. Определение общей жесткости воды

метиловый оранжевый, щелочной буферный раствор (рH 10–12), индикатор эриохром темно-синий.

Определение общей жесткости воды основано на реакциях между трилоном-Б и солями общей жесткости воды (см. теоретическую часть).

Подготовленную бюретку наполнить титрованным раствором три- лона-Б с молярной концентрацией эквивалента 0,1 моль/дм3 до нулевого деления.

Отмерить цилиндром 100 см3 исследуемой воды (той же, что и в опыте № 1) и перенести в чистую коническую колбу. Прибавить к воде 5 см3 буферного раствора (рH 10–12), а затем 6 капель индикатора эриохром темно-синий.

К подготовленной пробе жесткой воды из бюретки по капле прибавлять раствор трилона-Б, хорошо взбалтывая после добавления каждой капли. Опыт продолжать до тех пор, пока красно-малиновая окраска индикатора не начнет изменяться в фиолетово-синюю.

Записать конечное положение уровня в бюретке. Найти объем три- лона-Б, пошедший на титрование воды. Опыт повторить и для расчета взять среднее значение объема трилона-Б в см3.

Общую жесткость, ммоль/дм3, рассчитать по формуле

где Vтр.Б – объем трилона-Б, пошедший на титрование пробы воды, см3; C(1 2 тр.Б) – молярная концентрация эквивалента трилона-Б моль/дм3; V – объем воды, мл.

Объем воды и трилона-Б так же, как и в предыдущем опыте, взять в см3. Найти постоянную (некарбонатную) жесткость воды:

Жнк Жобщ Жк .

По величине общей жесткости дать заключение о группе жесткости воды: мягкая, средней жесткости, очень жесткая и т.д.

33

Опыт № 3. (УИРС) Умягчение воды

Приборы и реактивы: мерный цилиндр, весы, коническая колба, сода.

По величине общей жесткости воды, полученной в опыте № 2, рассчитать количество соды Na2CO3 в граммах, необходимое для умягчения 250 см3 этой воды на 75 %. Для расчета использовать формулу (3.1).

Отмерить цилиндром 250 см3 исследуемой воды и перенести в колбу на 500 см3. Взвесить на весах необходимое количество соды и засыпать в воду для умягчения. Перемешивать содержимое колбы в течение нескольких минут. Для полноты протекания реакции и отстоя осадка выдержать колбу еще 5 минут. В осветленном слое отобрать 100 см3 воды и определить общую жесткость по методике опыта № 2. Определить эффект очистки, %, по следующей формуле:

Сделайте вывод об эффективности данного метода умягчения воды.

оранжевый.

В коническую колбу емкостью 250 см3 отмерить пипеткой или цилиндром 100 см3 исследуемой воды.

Добавить 2–3 капли индикатора метилоранжа. Пробу титровать 0,01н раствором NaOH до перехода розовой окраски в желтую в эквивалентной точке, устойчивой в течение 2 минут. Кислотность воды рассчитать по формуле

трация эквивалентов раствора NaOН , см3; V2 – объем пробы воды, см3.

34

Опыт № 4. Определение общей щелочности

оранжевый.

В коническую колбу на 250 см3 отмерить пипеткой или цилиндром 100 см3 исследуемой воды. Добавить 2–3 капли индикатора – метилоранжа. Пробу титровать 0,01н раствором НCl до перехода желтой окраски в розовую, устойчивую 2 минуты.

Общую щелочность рассчитать по формуле:

трация эквивалентов раствора НСl , см3; V2 – объем пробы воды, см3.

Лабораторная работа № 4 АДСОРБЦИЯ КРАСИТЕЛЯ МЕТИЛЕНОВОГО ГОЛУБОГО

НА АКТИВИРОВАННОМ УГЛЕ

Цель: количественное изучение адсорбции вещества из раствора на твердом адсорбенте.

4.1. Теоретические сведения

Взаимодействие материала с окружающей средой происходит через поверхность. Почти все строительные материалы являются дисперсными, состоящими из микроскопических частиц (вяжущие материалы) или пористыми, за счет микропор, и имеют повышенную удельную поверхность:

Sуд Smобщ ,

где Sобщ – площадь всех частиц или площадь пор, от см2 до м2; m – масса материала, г.

35

Свойства материалов обусловлены свободной поверхностной энергией Gп, связанной с поверхностью S:

где пов – свободная энергия единицы поверхности, Дж/м2, зависит от границы раздела (табл. 4.1) [1].

Таблица 4.1

Название величины свободной энергии единицы поверхности на границах раздела различных фаз

Одной из важных характеристик поверхности является поверхностное натяжение σ. Оно характеризует избыток поверхностной энергии, приходящейся на 1 м2 межфазной поверхности.

Поверхностное натяжение σ равно термодинамически обратимой, изотермической работе, которую надо совершить, чтобы увеличить площадь межфазной поверхности на единицу. Оно характеризует различия в интенсивности межмолекулярных взаимодействий граничащих фаз. Чем больше эти различия, тем больше σ.

Из термодинамики известно, что самопроизвольно идут те процессы, при которых свободная энергия системы уменьшается. Из выражения (4.1), это достигается двумя путями, если: пов const, то S 0

или S const , то пов 0 .

В гетерогенных системах возможным путем уменьшения свободной энергии является сокращение поверхности. Этим объясняются такие явления, как сферическая форма капель или пузырьков жидкости, слипание твердых частиц дисперсной фазы (коагуляция), слипание капель в эмульсиях и пузырьков газа в пенах (коалесценция), рост кристаллов, при хранении вяжущих материалов происходит укрупнение частиц (пример, слеживание цемента).

Если площадь межфазной поверхности остается постоянной (например, у твердых тел), то уменьшение поверхностной энергии может вы-

36

полняться за счет уменьшения поверхностного натяжения σ при поглощении молекул газа или растворенного вещества поверхностью твердого тела.

Поглощение каким-либо веществом других веществ называется сорбцией. Если этот процесс идет только на поверхности, то его называют адсорбцией.

Адсорбция – процесс самопроизвольного перераспределения вещества между поверхностным слоем и объемом фазы. Фазу, на поверхности которой происходит адсорбция, называют адсорбентом. Для обозначения положения адсорбируемого вещества используют термины адсорбтив (до адсорбции) и адсорбат (после). Обратный переход вещества из поверхностного слоя в объем фазы называют десорбцией. Таким образом, адсорбат или адсорбируется на поверхности адсорбента, или десорбируется с его поверхности.

Адсорбцию выражают в абсолютных А и избыточных Г величинах. Абсолютная адсорбция А – это количество адсорбата на единице

поверхности адсорбента.

Избыток адсорбата в поверхностном слое по сравнению с его первоначальным количеством в этом слое характеризует избыточную, или гиббсовскую адсорбцию Г [8]. Она показывает, насколько увеличилась концентрация адсорбата в результате адсорбции.

Связь между адсорбцией на подвижных поверхностях раздела (г–ж, ж–ж) и понижением поверхностного натяжения дает уравнение Гиббса.

Д.У. Гиббс предложил уравнение, определяющее величину адсорбции Г в 1 см2 поверхностного слоя, толщиной примерно в одну молекулу, по сравнению с содержанием этого вещества в таком же объеме внутри жидкости

Г RTс ddc ,

где Г – количество адсорбированного вещества, моль/cм2; с – молярная концентрация растворенного вещества, моль/дм3; R – газовая постоянная, равная 8,31 Дж/моль·К; – поверхностное натяжение.

Если производная dσ/dc отрицательна (т.е. с увеличением концентрации вещества поверхностное натяжение уменьшается), то адсорбция Г > 0 – положительная. Это значит, что вещество накапливается в поверхностном слое, перераспределение растворенного вещества приводит к увеличению его концентрации в поверхностном слое по сравнению с концентрацией в объеме раствора. Это свойство характерно для ПАВ (поверхностно-активных веществ). Вещества, которые концентриру-

37

ясь на поверхности, понижают поверхностное натяжение, называются поверхностно-активными.

Если производная dσ/dc положительна, то адсорбция Г < 0, т.е. отрицательная. Это значит, что вещество уходит с поверхности раздела фаз в объем раствора, т.е. его концентрация в поверхностном слое становится меньше концентрации в растворе. Это свойство характерно для ПИВ (поверхностно-инактивных веществ). Вещества, повышающие по-

верхностное натяжение, называются поверхностно-инактивными.

Производная dσ/dc характеризует поведение вещества при адсорбции, однако ее значение меняется при изменении концентрации. Чтобы придать этой величине вид характеристической постоянной, берут ее предельное значение (при с → 0). Эту величину П.А. Ребиндер назвал

поверхностной активностью g:

Чем в большей степени уменьшается поверхностное натяжение с увеличением концентрации адсорбируемого вещества, тем больше поверхностная активность этого вещества, и тем больше его гиббсовская адсорбция.

Адсорбцию на неподвижных поверхностях раздела (т–г, т–ж), где определение изменения поверхностного натяжения экспериментально затруднено, описывают уравнениями Ленгмюра и Фрейндлиха.

Теория мономолекулярной адсорбции Ленгмюра (адсорбция газов на твердом адсорбенте).

В основе вывода лежали следующие положения:

•процесс адсорбции является обратимым и равновесным;

•адсорбция молекул происходит не на всей поверхности адсорбента,

атолько на определенных ее участках – адсорбционных центрах;

•каждый адсорбционный центр может удержать только одну молекулу адсорбтива, т.е. адсорбтив распределяется на адсорбенте мономо-

лекулярным слоем;

•адсорбированные молекулы удерживаются адсорбционными центрами в течение только определенного времени, затем десорбируются.

Уравнение изотермы Ленгмюра при адсорбции из раствора

38

Уравнение изотермы Ленгмюра при адсорбции газа:

где A – адсорбция; A – предельное значение адсорбции (емкость адсорбционного монослоя); p – равновесное давление; c – молярная кон-

центрация; K – константа адсорбционного равновесия, K K Ад .

K Дес

Величина адсорбции растет с увеличением давления (концентрации),

рис. 4.1 (I – область малых давлений К р 1, с увеличением давления адсорбция линейно увеличивается) достигает своего предельного значения (II – область средних давлений A A K p – уравнение называ-

ется уравнением Генри) и больше не изменяется (III – область высоких давлений К р 1, вся поверхность адсорбента занята молекулами адсорбата A A ).

Константы уравнения Ленгмюра находят графически (рис. 4.2). Уравнение приводят к линейному виду:

с

Рис. 4.1. Изотерма адсорбции Ленгмюра Рис. 4.2. Изотерма адсорбции Ленгмюра в координатах линейной формы

Экспериментально найденная величина A (предельной избыточной адсорбции) дает возможность рассчитать поперечный размер молекулы

39

массу 1 см2 поверхностного слоя

mA M,

итолщину поверхностного слоя, которая в этом случае равна длине молекулы ПАВ

l A M ,

где S0 – поперечный размер молекулы; NA – число Авогадро; М – молекулярная масса ПАВ; – плотность раствора.

Уравнение Ленгмюра не учитывает взаимодействия между адсорбированными частицами, реальную структуру поверхности адсорбента, а также возможность адсорбции адсорбтива в несколько слоев.

Уравнение Фрейндлиха

Фрейндлихом эмпирически было получено уравнение для более сложных случаев адсорбции в виде степенного уравнения. Эксперимент показывает, что в области малых и средних концентраций уравнение Фрейндлиха иногда более удачно, чем уравнение Ленгмюра, поэтому его часто используют для практических целей.

Г. Фрейдлих предположил, что величина удельной адсорбции для твердых адсорбентов – количество вещества адсорбированного 1 кг (или 1 г) адсорбента, равна

Г vmx .

Количество адсорбированного вещества определяют по изменению его концентрации в растворе. Удельная адсорбция и равновесная концентрация в растворе при постоянной температуре связаны эмпирическим уравнением изотермы Фрейндлиха:

где и n – константы.

Физический смысл константы состоит в том, что она равна вели-

чине адсорбции при равновесной концентрации, равной единице (если с = 1 моль/л, то = Г). Постоянная зависит от природы адсорбента

и адсорбата. Значение адсорбционного показателя 1/n лежит в пределах 0,1 ÷ 1 и зависит от температуры и природы адсорбата. Коэффициент n характеризует отличие изотермы адсорбции (см. рис. 4.1, участок II) от прямой.

40