1.Адсорбция красителей активированным углем.

Проведение элюции.

Ход работы: измельчить таблетку активированного угля (карболен) и внести его в пробирку с 5 мл 0,125% раствора красителя бисмарк-браун.

78

Смесь тщательно взболтать и профильтровать через бумажный фильтр в

другую пробирку. Осадок угля на фильтре залить 2-3 мл 0,1 N раствора HCI и профильтровать последний в новую пробирку. Сравнить окраску первого и второго фильтратов.

2. Влияние температуры на адсорбционное равновесие йода на крахмале.

Ход работы: пробирку с 5 мл 1% раствора крахмала и 2 каплями раствора Люголя (йод в растворе KJ) нагревают на спиртовке. Затем пробирку с раствором охладить под струей воды. Наблюдать изменение окраски раствора, происходящее во время опыта.

Порядок оформления работы: выполнить опыты, выявляющие свойства и закономерности адсорбции. Ход работы и полученные результаты занести в лабораторный журнал. Объяснить результаты, указать, как влияют различные факторы (изменение рН среды, температуры) на адсорбционное равновесие, по каждому эксперименту сделать вывод о виде адсорбции (физическая или химическая).

3. Гель-фильтрация голубого декстрана

и витамина В₂ (рибофлавина) на сефадексе G-25.

Молекулярно-ситовая хроматография (гель-фильтрация) представляет разделение веществ по размеру их молекул, определяющему разную эффективность и продолжительность их связывания с адсорбентом. Адсорбенты представляют молекулярные сита. По структуре они подобны гелям, имеют сообщающиеся между собой пустые ячейки. Их делают в виде мелких сферических гранул, пронизанных порами. Небольшие молекулы разделяемых веществ свободно диффундируют в поры гранул, но выход их замедляется лабиринтом пор. Более крупные молекулы попадают в поры с меньшей вероятностью или вообще не проходят в них, и поэтому быстрее переносятся раствором, протекающим между гранулами геля. Таким

79

образом, с адсорбента вещества вымываются по отдельности, вначале с большой молекулярной массой, а затем  с малой.

В медико-биологических исследованиях для разделения биополимеров (белков, нуклеиновых кислот) широко используют гидрофильные гели сефадекса. Его гранулы состоят из гибких линейных молекул полимера глюкозы декстрана, связанных между собой поперечными ковалентными связями. Сефадексы имеют различную марку в зависимости от размера пор, определяющих интервал молекулярных масс разделяемых биополимеров.

Перед заполнением хроматографической колонки навеску сухого сефадекса выдерживают несколько часов в воде или буферном растворе для набухания геля. Раствор разделяемых веществ медленно фильтруется через гель в колонке. Разделение голубого декстрана (молекулярная масса 2000000) и рибофлавина (молекулярная масса 376,4) на сефадексе G-25 проходит быстро и непосредственно наблюдается в ходе хроматографии. Быстрее всего элюируется ярко-голубой декстран и медленнее зеленовато-желтый рибофлавин.

Ход работы: опустить конец пластиковой трубки, отходящей от колонки в стаканчик и спустить раствор в колонке до уровня геля. Поднять конец трубки выше уровня сефадекса и аккуратно по стенке колонки наслоить 0,5 мл разделяемого раствора, стараясь не взмучивать гель. Конец пластиковой трубки поместить в первую пробирку штатива и дать впитаться нанесенному раствору. Затем на поверхность геля также осторожно нанести 10 мл воды и последовательно собирать фракции элюата по 2 мл в каждую из 5 пробирок. После сбора последней фракции хроматографию закончить, подняв и закрепив трубку в держателе так, чтобы ее конец был выше уровня раствора в колонке. На поверхности геля обязательно должен остаться слой воды высотой примерно 1см.

Порядок оформления работы: записать принцип метода гель-фильтрации, ход работы, результаты. Сделать вывод об эффективности разделения высоко- и низкомолекулярных веществ данным методом.

80

ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ

Задача 1. Определите величину адсорбции кислоты С₈Н₁₇СООН на поверхности водного раствора при 10 ^оС, если массовая доля кислоты в растворе 0,005%. Поверхностное натяжение чистой воды и раствора при этой температуре равны соответственно 74,22 ·10^3 и 57,0 ·10^3 Дж/м².

Дано: Решение:

ω С₈Н₁₇СООН = 0,005% Для расчета величины адсорбции Г на

ρ С₈Н₁₇СООН = 1 г/мл поверхности жидкости используем

σ Н₂О = 74,22·10^3 Дж/м² уравнение Гиббса:

σ С₈Н₁₇СООН = 5 7,0 ·10^3 Дж/м² Г =  ∆σ/∆С × С/RT

Г = ?

Зная ω%, находим, что в 100 мл раствора содержится 0,005 г кислоты (0,005%  100 мл  1 гмл  100%). Следовательно, в 1000 мл – 0,05 г. Молярная масса кислоты равна 158 г/моль, поэтому молярная концентрация раствора будет:

С_м = m_кисл/М_кисл × V_раств= 0,05/158 × 1 = 3,16·10^4 моль/л

Используя полученное значение, находим Г:

_{Г =} _ 57,0 10^3  74,22·10^3 _ 3,16· 10^4

3,16·10^4  0 8,314 × 283

Ответ: 7,3·10^6 моль/м².

Задача 2. Установлено, что максимальная величина адсорбции ПАВ (М = 60 г/моль) составляет 5·10^3 моль/г. Сколько граммов вещества адсорбировалось двумя граммами адсорбента из раствора при равновесной концентрации ПАВ 0,1 моль/л и К равной 0,06 моль/л?

Дано: Решение:

Г_max = 5·10^-3 моль/г Рассчитываем величину адсорбции ПАВ

M_пав = 60 г/моль по уравнению Лэнгмюра:

К = 0,06 моль/л Г = Г_max · С/(К + С);

С_равн = 0,1 моль/л Г = 5·10^3 × 0,1/(0,06 + 0,1) = 3,125·10^3 m_адсорб = 2 г моль/г

m_ПАВ = ? Количество адсорбированного вещества на 2 г адсорбента будет в 2 раза больше:

81

n_ПАВ = 3,125·10^3 × 2 = 6,25 ·10^3 моль

Следовательно,

m_ПАВ = n ·M = 6,25 ·10^3 × 60 = 0,375 г

Ответ: m_ПАВ = 0,375 г.

Задача 3. Покажите, как меняется поверхностная активность масляной кислоты в водном растворе с увеличением концентрации  0,0625, 0,125, 0,25 моль/л (Т = 298 К), зная соответствующие значения поверхностного натяжения 60,4 10^3, 55,1 10^3, 47,9 10^3 Н/м.

Дано: Решение:

С, моль/л = 0,0625, 0,125, 0,25 Рассчитываем поверхностную

σ ·10^3, Н/м = 60,4; 55,1; 47,9 активность, используя уравнение:

ǥ = ? ǥ =  ∆σ/∆С

ǥ₁ = (60,4  55,1) ·10^3/(0,125 – 0,0625) = 0,0848

ǥ₂ = (55,1  47,9) ·10^3/(0,25 – 0,125) = 0,0576

Ответ: С увеличением концентрации ПАВ поверхностная активность уменьшается.

Задача 4. Определите площадь поперечного сечения и длину молекул пропанола и бутанола, если предельная величина адсорбции для высших предельных спиртов составляет 7,96·10^6 моль/м². Плотность пропанола и бутанола равна соответственно 0,804 и 0,809 г/мл.

Дано: Решение:

Г_max = 7,96 ·10^6 моль/м² Применяя представления Лэнгмюра о ρ_проп. = 0,804 г/мл мономолекулярной структуре

_бут = 0,809 г/мл адсорбционного слоя по уравнению

S = ? L = ? S = 1/Г_max N_A находим площадь

поперечного сечения молекулы ПАВ:

S =1/7,96·10^6 × 6,02·10²³ = 2,16·10^19 м²,

82

а длину молекул рассчитываем, используя уравнение:

L = Г_max М/ρ, где М молярные массы пропанола (60 г/моль) и бутанола (74 г/моль).

L_проп.=7,96·10^6×60/0,804·10⁶=5,94·10^10 м

L_бутан.=7,96·10^6×74/0,809·10⁶=7,03·10^10м

Ответ: S=2,16·10^19м²; L _проп.=5,94·10^10 м

L _бутан. = 7,03·10^10 м

Задача 5. Расположите катионы солей СаС1₂, Na₂SO₄, KC1, FeC1₃, LiNO₃ в ряд по увеличению способности поглощаться их Н⁺-формой катионита из водных растворов.

Решение: Адсорбционная способность ионов зависит от величины заряда и радиуса. Чем больше заряд иона, тем сильнее он проявляет способность к ионному обмену. Для ионов одинакового заряда максимальную ионообменную способность проявляют те ионы, радиус которых в гидратированном состоянии меньше. Поэтому способность поглощаться катионитами из водных растворов возрастает в ряду ионов Li⁺ Na⁺K⁺Ca²⁺Fe³⁺.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПОДГОТОВКИ

1. Что такое молекулярное давление и свободная поверхностная энергия, от чего они зависят? Что такое адсорбция и почему она происходит?

2. Какие силы могут действовать между молекулами или ионами адсорбента и адсорбтива? Виды адсорбции?

3. Объяснить физический смысл динамического адсорбционного равновесия. Какие воздействия могут изменять это равновесие? Как адсорбция на твердой поверхности зависит от температуры?

4. Что такое избирательность адсорбции на твердой поверхности, чем она объясняется? Правило Панета-Фаянса для эквивалентной адсорбции.

5. В чем смысл теории мономолекулярной адсорбции Лэнгмюра? Привести уравнение и изотерму адсорбции Лэнгмюра. Дать

83

6. пояснения, объяснить физический смысл предельной величины адсорбции Г макс.

7. Привести уравнение и изотерму адсорбции Фрейндлиха. Для каких случаев адсорбции они применимы? В чем смысл теории полимолекулярной адсорбции Поляни? Привести изотерму полимолекулярной адсорбции БЭТ, объяснить ход кривой.

8. Что такое эквивалентная адсорбция, как она происходит, каково ее значение в коллоидной химии?

9. Будет ли происходить адсорбция ионов на частицах хлористого серебра в растворе хлористого калия? Обосновать ответ.

10. Будет ли происходить адсорбция ионов на частицах сернокислого бария в растворе хлористого натрия? Обосновать ответ.

11. В чем сущность ионообменной адсорбции? Что такое ионообменники, какова их структура, как они различаются по основности и для чего применяются?

12. Будут ли обмениваться ионы натрия на ионообменнике с карбоксильными функциональными группами? Обосновать ответ.

13. Будут ли обмениваться ионы уксусной кислоты (СН₃СОО^) на ионообменнике с карбоксильными функциональными группами? Обосновать ответ.

14. Будут ли обмениваться ионы аммония на ионообменнике, функциональными группами которого являются аминогруппы? Обосновать ответ.

15. Какие группы веществ являются поверхностно-активными и поверхностно-неактивными, как и почему они влияют на поверхностное натяжение раствора?

16. Какова структура молекул поверхностно-активных веществ, как она влияет на их поверхностную активность? Какие существуют типы ПАВ, чем они отличаются?

17. Каковы количественные закономерности адсорбции на поверхности жидкости? Что такое поверхностная активность вещества, какие значения она может принимать?

18. Как и во сколько раз изменится поверхностная активность растворенного вещества, если вместо раствора пропионовой

84

кислоты (СН₃СН₂СООН) взять раствор валериановой кислоты (СН₃СН₂СН₂СН₂СООН) той же концентрации? Обосновать ответ.

19. Как располагаются молекулы ПАВ на поверхности раствора? Какова структура образуемого ими адсорбционного слоя? Каким образом можно установить длину молекулы ПАВ и площадь, занимаемую ею в насыщенном адсорбционном слое на поверхности жидкости?

20. Каков общий механизм разделения смесей веществ при хроматографии? Что такое элюция?

21. Какие виды хроматографии различают по механизму разделения ве­ществ и техническому исполнения? Дать пояснения к каждому виду.

22. Привести примеры адсорбции и назвать наиболее важные естественные ПАВ в организме. Объяснить физиологическое значение адсорбции и действия ПАВ в организме.

23. Как используется адсорбция при лечении больных? Что такое адсорбционная терапия и гемосорбция?

Образец билета тестированного контроля по теме «Поверхностные явления»

1. Что такое адсорбция?

а) это притяжение, возникающее между твердыми телами и жидкостями при их соприкосновении

б) это самопроизвольное изменение концентрации вещества на границе раздела фаз

в) удаление с поверхности ранее связанного с нею вещества

г) это смена граничащей с адсорбентом фазы

2. Элюция это:

а) изменение концентрации вещества на границе раздела двух фаз

б) удаление с поверхности ранее связанного с нею вещества

в) смена граничащей с адсорбентом фазы

г) давление поверхностного слоя молекул на нижележащие молекулы вследствие взаимного притяжения

3. Какие ионы будут обмениваться на ионообменнике с карбоксильными функциональными группами (–СООН)?

85

а) ионы НСОО^¯ б) ионы ОH^ в) ионы NH₄⁺ г) ионы Cl^

4. Какое из веществ является поверхностно-активным?

а) бензол (C₆H₆) б) глюкоза (C₆H₁₂O₆)

в) валериановая кислота (СН₃СН₂СН₂СН₂СООН) г) NаС1

5. Во сколько раз изменится поверхностная активность, если вместо раствора пропионовой кислоты (СН₃СН₂СООН) взять раствор валериановой кислоты (СН₃СН₂СН₂СН₂СООН) той же молярной концентрации?

а) в 3 раза уменьшится б) в 6 раз увеличится

в) в 9 раз увеличится г) в 9 раз уменьшится

Ответы на задания образца билета ТК:

Номер вопроса	1	2	3	4	5
Код ответа	б	в	в	в	в

Оценка задания. Число правильных ответов:

1, 2. 6 баллов (неудовлетворительно)

3. 7 баллов (удовлетворительно)

4. 8 баллов (хорошо)

5. 9 баллов (отлично)