Изучение адсорбции уксусной кислоты на твёрдом адсорбенте

Цель работы. Целью работы является изучение адсорбции на твёрдом адсорбенте уксусной кислоты из водного раствора, построение изотермы адсорбции и расчет констант уравнения адсорбции Лэнгмюра.

Краткая теоретическая часть

Адсорбция из растворов на твёрдом адсорбенте описывается уравнением Лэнгмюра, имеющим вид:

, (8.1)

где Г – количество вещества, адсорбированного 1 г адсорбента;

С – концентрация раствора после достижения адсорбционного равновесия;

Г_∞ – предельная адсорбция, соответствующая состоянию, когда все активные центры твердого адсорбента заняты молекулами адсорбируемого вещества;

В – константа, характеризующая межмолекулярные взаимодействия между твёрдым адсорбентом и молекулами адсорбируемого вещества (адсорбата).

Г_∞ и В зависят от природы адсорбента и адсорбируемого вещества,

а В зависит также от температуры.

Ход работы

В качестве адсорбента используют активированный уголь; в качестве

адсорбата - уксусную кислоту.

Берут 2N уксусную кислоту и готовят в шести колбах следующие растворы кислоты различной концентрации:

№ колбы	V раствора, см3	Нормальность раствора
1	150	0,012
2	150	0,025
3	150	0,05
4	125	0,10
5	110	0,20
6	105	0,40

Для вычисления объема 2N уксусной кислоты в см³ (мл), который надо добавить в каждую из шести колб, используют следующее соотношение:

N₁V₁=N₂V₂, (8.2)

где N₁ – нормальность исходного раствора кислоты (в нашем случае N₁=2);

N₂ – нормальность получаемого раствора кислоты (например, для колбы №1 N₂=0,012);

V₂ – количество см³ (мл) раствора получаемой кислоты (т.е. для колбы №1 V₂=150);

V₁ - количество см³ (мл) исходного 2N раствора кислоты.

Точное содержание уксусной кислоты определяют титрованием полученных растворов 0,1 N раствором NaOH в присутствии фенолфталеина, причём для титрования из колбы №1, №2 и №3 отбирают пипеткой по 50 см³ раствора, из колбы №4 – 25 см³, из колбы №5 – 10 см³, из колбы №6 – 5 см³.

Таким образом, во всех шести колбах остаётся по 100 см³ раствора уксусной кислоты.

Затем в каждую колбочку добавляют по 0,5 г активированного угля (адсорбента), оставляют стоять 10 мин до установления адсорбционного равновесия, взбалтывая по очереди содержимое каждой колбы.

Растворы фильтруют и фильтраты оттитровывают 0,1N раствором NaOH, отобрав те же объёмы, как и при титровании исходных растворов кислоты.

Для того, чтобы рассчитать начальную (C₀) и равновесную (С) концентрацию уксусной кислоты в каждой колбе, необходимо количество см³ NaOH, пошедших на титрование, умножить на следующие величины:

№ колбы	Множитель
1	2
2	2
3	2
4	4
5	10
6	20

т.к. для титрования берут различные объёмы, а расчет ведут на 100 см³ раствора.

Величину адсорбции Г вычисляют, как разность (C₀ – С). Полученные значения C₀, С, Г, С/Г заносят в таблицу 8.1.

Таблица 8.1 – Результаты измерения адсорбции CH₃COOH на угле

№ колбы	С0 начальная концентрация уксусной кислоты, выраженная в см3 0,1N раствора NaOH на 100 см3 раствора кислоты	С равновесная концентрация уксусной кислоты, выраженная в см3 0,1N раствора NaOH на 100 см3 фильтрата	Г=С0 – С (количество адсорбированной уксусной, кислоты, выраженное в см3 0,1N раствора NaOH на 100см3 раствора кислоты)	С/Г
1
2
3
4
5
6

Обработка результатов

Уравнение адсорбции Лэнгмюра после алгебраических преобразований принимает вид

или (8.3)

и является уравнением прямой, построенной в координатах С/Г как функция С. Поэтому, используя данные таблицы 8.2, строят график в координатах (С/Г, С), (рисунок 8.1).

Тангенс угла наклона прямой линии на рисунке 8.1 дает значение 1/Г_∞, а отрезок, отсекаемый прямой на оси С/Г равен B/Г_∞. По найденным из графика значениям 1/Г_∞ и B/Г_∞ рассчитывают константы уравнения Лэнгмюра Г_∞ и B.

Задавая ряд произвольных значений равновесных концентраций C (в пределах концентраций исследуемых растворов) по уравнению (8.1) рассчитывают теоретические значения адсорбции.

Используя найденные значения констант Г_∞, B и полученные данные строят изотерму адсорбции, т.е. зависимость величины адсорбции Г от равновесной концентрации раствора С. На полученный график также наносят опытные значения адсорбции Г при соответствующих концентрациях C, используя данные таблицы 8.1.

Примечание.

В качестве адсорбата можно взять щавелевую кислоту. В этом случае используют 0,2N раствор щавелевой кислоты и готовят в шести колбах следующие растворы кислоты различной концентрации:

№ колбы	V раствора, см3	Нормальность раствора
1	150	0,0030
2	150	0,0050
3	150	0,0075
4	125	0,0100
5	110	0,0150
6	105	0,0200

Адсорбент – активированный уголь в количестве 0,2 г. Время адсорбции (установление адсорбционного равновесия) –5 мин.

Титрование проводят 0,05N раствором NaOH.