Изучение адсорбции пав на границе раздела жидкий раствор-воздух

Цели работы. 1. Изучение адсорбции на границе жид­кий раствор ПАВ-воздух. 2. Ознакомление с методами измерения поверхностного натяжения и построение изо­термы поверхностного натяжения σ = f(c). 3. Определе­ние поверхностной активности ПАВ и построение изотер­мы адсорбции Г = f(c).

Краткие теоретические положения. Связь между ве­личиной адсорбции и влиянием вещества на поверхност­ное натяжение выражают уравнением Гиббса (1.1). Чтобы вычислить величину избыточной адсорбции Г, необходи­мо построить изотерму поверхностного натяжения σ = f(c) и определить поверхностную активность g (см. теорети­ческую часть, рис. 2)

Приборы и реактивы. 1. Установка для измерения поверхностного натяжения (см. работу 1). 2. Мерные кол­бы на 50 см³ — 8 шт. 3. Мерная пипетка на 25 см³. 4. Вод­ные растворы ПАВ. 5. Дистиллированная вода.

Порядок выполнения работы.

1. Из исходных растворов ПАВ путем последователь­ного разбавления дистиллированной водой готовят восемь растворов различной концентрации (по заданию препода­вателя).

2. Одним из методов, рассмотренных в работе 1, изме­ряют поверхностное натяжение. Результаты эксперимен­та помещают в таблицу 5. По экспериментальным дан­ным строят изотерму поверхностного натяжения σ = f(c) при температуре опыта.

3. По изотерме поверхностного натяжения находят величину поверхностной активности:

g=-( )_c→0

4. Графически находят значения [ ] и вычисляют величину избыточной адсорбции для каждой концентра­ции раствора ПАВ. Значения Г_i, помещают в таблицу 5.

Поверхностное натяжение и избыточная адсорбция

Концентрация раствора ci, моль/дм3	Поверхностное натяжение σi; Дж/м2	Избыточная адсорбция Гi, моль/м2

Таблица 5

5. Строят изотерму адсорбции Г_i = f(с_i). Форма отчета. Отчет должен содержать описание цели работы, краткие теоретические положения, порядок вы­полнения работы, таблицу экспериментальных данных, изотерму поверхностного натяжения и изотерму адсорб­ции (на миллиметровой бумаге), вывод.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. В чем состоят особенности адсорбции на границе раствор-газ?

2. Как зависит поверхностное натяжение от концентрации ра­створа для ПАВ и ПИВ?

3. Что называется поверхностной активностью? Как ее опреде­ляют?

4. В чем состоит правило Дюкло-Траубе?

5. Как построить изотерму адсорбции на основании зависимо­сти поверхностного натяжения от концентрации ПАВ?

Работа 5.

ИЗУЧЕНИЕ АДСОРБЦИИ ИЗ РАСТВОРОВ НА ТВЕРДОМ АДСОРБЕНТЕ

Цель работы. Количественное изучение адсорбции на активированном угле.

Краткие теоретические положения. Адсорбция на гра­нице твердое тело-раствор представляет собой изменение концентрации растворенного вещества (т. е. количества вещества в единице объема) в поверхностном слое по срав­нению с его концентрацией в объеме жидкой фазы.

Этот вид адсорбции является самым сложным, так как с одной стороны необходимо учитывать взаимодействие между молекулами растворителя и растворенного веще­ства, а с другой стороны — сложное строение поверхности твердого адсорбента.

К числу наиболее распространенных пористых адсор­бентов относят активированные угли, получаемые из каменного угля, дерева, животных костей, ореховых кос­точек и др. Адсорбирующее действие активированного угля обусловлено его большой удельной поверхностью, что по­зволяет использовать этот адсорбент для различных це­лей: извлечение из растворов посторонних веществ, по­глощение газов, обесцвечивание жидкостей и т.д.

Изучение адсорбции уксусной кислоты на активиро­ванном угле основано на определении концентрации ра­створа до контакта с адсорбентом с_o и после наступления адсорбционного равновесия с. Количество адсорбирован­ной кислоты рассчитывается по формуле:

v = V(c_o - с),

где V — объем раствора, из которого идет адсорбция, дм³.

Тогда удельная адсорбция:

a = = ( 1.37)

где а — количество вещества, адсорбированного одним граммом адсорбента; m — масса адсорбента, г.

В области средних концентраций растворенного ве­щества его адсорбция хорошо описывается уравнением Фрейндлиха:

a = β (1.38)

где β и 1/n — постоянные величины, значения которых находят из экспериментальных данных.

Чтобы определить постоянные величины уравнения Фрейндлиха, его приводят к линейному виду логарифми­рованием:

lga = lgβ + lgc. (1.39)

Определив адсорбцию из серии растворов различной концентрации, можно построить график изотермы адсорб­ции в координатах «a-с». Изотерма адсорбции в виде пря­мой, построенная в координатах «lga-lgc», позволяет оп­ределить постоянные уравнения Фрейндлиха. Тангенс угла наклона прямой к оси абсцисс равен угловому коэф­фициенту линейной функции, в нашем случае 1/п. Отре­зок, отсекаемый прямой на оси ординат, есть свободный член линейной функции и равен lgβ.

Вариант 1. ИЗУЧЕНИЕ АДСОРБЦИИ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ УКСУСНОЙ КИСЛОТЫ НА АКТИВИРОВАННОМ УГЛЕ МЕТОДОМ ТИТРОВАНИЯ

Приборы и реактивы. 1. Технические весы. 2. Фарфо­ровая ступка. 3. Конические колбы на 100 см³ — 10 шт. 4. Мерные колбы на 50 см³ — 5 шт. 5. Бюретки для тит­рования на 50 см³. 6. Градуированные пипетки на 2, 5, 10 и 25 см³. 7. Водный раствор СН₃СООН (0,5 моль/дм³). 8. Водный раствор КОН (0,1 моль/дм³). 9. Фенолфталеин. 10. Фильтровальная бумага. 11. Активированный уголь.

Порядок выполнения работы. Навеску около 6 г акти­вированного угля измельчают в фарфоровой ступке так, чтобы не было зерен крупнее 1 мм, и не образовывалась излишне тонкая пыль. На технических весах берут 5 на­весок угля массой 1 г каждая. Каждую навеску всыпают в отдельную коническую колбу на 100 см³.

В 5 мерных колб на 50 см³ вливают указанные в таб­лице 6 количества уксусной кислоты с = 0,5 моль/дм³, доводят объем колб до метки дистиллированной водой и перемешивают.

Каждый из приготовленных растворов переносят в одну из конических колб с навеской угля и оставляют на 40 мин, взбалтывая содержимое колб через каждые 5 мин.

Пока идет процесс адсорбции, уточняют концентрацию исходного раствора уксусной кислоты (с = 0,5 моль/дм³). Для этого в колбу для титрования отбирают аликвотную часть исходного раствора уксусной кислоты (2 см³), при­ливают 10-20 см³ дистиллированной воды и титруют ра­створом КОН с = 0,1 моль/дм³ в присутствии фенолфта­леина.

По истечении 40 мин адсорбции растворы уксусной кислоты фильтруют. Определяют концентрацию уксусной кислоты в растворах после адсорбции титрованием щело­чью известной концентрации с использованием индикато­ра — фенолфталеина. На титрование берут объемы фильт­рата, указанные в таблице 6.

Обработка экспериментальных данных.

1. Рассчитывают точную концентрацию исходного ра­створа уксусной кислоты (с = 0,5 моль/дм³):

где V_э — объем щелочи, затраченный на титрование, см³.

2. Рассчитывают концентрацию пяти приготовленных растворов уксусной кислоты:

где V_исх — объем исходного раствора уксусной кислоты, указанный в таблице 6; V_м.к. — объем мерной колбы, см³. Результаты расчета заносят в таблицу 6.

2. Рассчитывают концентрацию растворов уксусной кислоты после адсорбции:

где V_э — объем щелочи, затраченный на титрование, см³; V_ал.ч. — объем раствора кислоты, взятый на титрование, см³ (указан в таблице).

Расход щелочи, затраченный на титрование, и кон­центрацию растворов СН₃СООН после адсорбции заносят в таблицу 6.

Таблица 6

Номер колбы	1	2	3	4	5
Навеска угля, г
Объем исходного раствора СНзСООН c = 0,5 моль/дм3 Vисх, см3	2	5	10	25	50
Концентрация приготовленных растворов СНзСООН до адсорбции со, моль/дм3
Объем пробы раствора на титрование после адсорбции Уал.ч., см3	10	10	5	5	2
Расход раствора щелочи на титрование после адсорбции Vал.ч., см3
Концентрация СНзСООН после адсорбции с, моль/дм3
lgc
Адсорбция а, моль/г
lga

2. Используя полученные данные о концентрации кис­лоты до с_о и после с адсорбции, для всех пяти проб рас­считывают значение адсорбции по формуле (1.37) и значе­ния lgа и lgc. Результаты расчета заносят в таблицу 6.

3. По полученным данным строят изотермы адсорбции в координатах «а-с» и «lga-lgc».

4. Пользуясь изотермой, построенной в координатах «lga-lgc», определяют графически константы уравнения Фрейндлиха.

Форма отчета. Отчет должен содержать название и опи­сание цели работы, краткие теоретические положения, опи­сание хода работы, таблицу экспериментальных данных, графики изотермы адсорбции (на миллиметровой бумаге), результаты расчетов, вывод по проделанной работе.

Вариант 2.

ИЗУЧЕНИЕ АДСОРБЦИИ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ УКСУСНОЙ КИСЛОТЫ НА АКТИВИРОВАННОМ УГЛЕ КОНДУКТОМЕТРИЧЕСКИМ МЕТОДОМ

Приборы и реактивы. 1. Кондуктометр. 2. Мерные колбы на 50 см³ — 6 шт. 3. Мерные пипетки на 10 и 5 см³. 4. Конические колбы на 100 см³ — 7 шт. 5. Фар­форовая ступка. 6. Раствор KCI (0,1 моль/дм³). 7. Раствор СН₃СООН (0,5 моль/дм³). 8. Активированный уголь.

Порядок выполнения работы.

1. Изучение зависимости электрической проводимости растворов уксусной кислоты от концентрации. Путем раз­бавления исходного раствора СН₃СООН с = 0,5 моль/дм³ в мерных колбах на 50 см³ готовят шесть растворов уксусной кислоты, концентрация которых с_о указана в таблице 7.

Измеряют электрическую проводимость L₀ приготовлен­ных растворов, результаты измерений заносят в таблицу.

2. Изучение адсорбции уксусной кислоты на угле. На­веску около 6 г активированного угля измельчают в фарфо­ровой ступке так, чтобы не было зерен крупнее 1 мм и не образовывалась излишне тонкая пыль. На технических весах берут 6 навесок угля массой 0,5 г каждая. Каждую навеску всыпают в отдельную коническую колбу на 100 см³.

Каждый из приготовленных растворов уксусной кис­лоты переносят в одну из конических колб с навеской угля и оставляют на 40 мин, взбалтывая содержимое колб через каждые 5 мин.

По истечении 40 мин адсорбции растворы фильтруют и измеряют электрическую проводимость растворов СН₃СООН после адсорбции L. Результаты измерений за­носят в таблицу 7.

Таблица 7

Обработка экспериментальных данных.

1. Строят калибровочный график зависимости электро­проводности от концентрации уксусной кислоты L_o = f(с_o).

2. По калибровочному графику определяют концент­рацию растворов уксусной кислоты после адсорбции с. Результаты заносят в таблицу 7.

3. Используя полученные данные о концентрации кис­лоты до с_o и после с адсорбции, для всех шести проб рас­считывают значение адсорбции по формуле (1.37) и значе­ния lga и lgc. Результаты расчета заносят в таблицу 7.

4. По полученным данным строят изотермы адсорбции в координатах «a-с» и «lga-lgc».

5. Пользуясь изотермой, построенной в координатах «lga-lgc», определяют графически константы уравнения Фрейндлиха.

Форма отчета. Отчет должен содержать название и опи­сание цели работы, краткие теоретические положения, опи­сание хода работы, таблицу экспериментальных данных, калибровочный график, графики изотермы адсорбции (на миллиметровой бумаге), результаты расчетов, вывод.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Дайте определение понятиям: адсорбция, адсорбент, адсорбтив, адсорбат.

2. В чем заключаются особенности адсорбции на границе раз­дела фаз твердое тело-жидкость?

3. Как определить постоянные уравнения Фрейндлиха, если получены экспериментальные данные по адсорбции в неко­тором интервале концентрации?

4. По каким признакам можно отличить физическую адсорб­цию от хемосорбции?

Работа 6.