metodichka2-vsya-isp-1-format70kh108-16

Порядок выполнения работы:

А) Включение установки и подготовка ее к измерениям.

1.Закройте кран 1 и включите на электрическом щитке форвакуумный

насос.

2.Осторожно откройте вакуумный кран 2 и включите вакуумметр.

3.2 раза откройте на 2-3 секунды кран 3 и откачайте газовую фазу над водой. Закройте кран 3.

4.При закрытом кране 3 откройте краны 4,5,6,8 и откачайте заключенный между ними объем до давления 2 10-3 мм рт.ст.

Рис. ΙΙΙ.10. Схема адсорбционной установки

5.Проверьте установку на герметичность. Для этого закройте кран 2 на

2минуты и наблюдайте за стрелкой вакуумметра. За это время давление не должно заметно увеличиться (стрелка не должна сместиться влево). В противном случае обратитесь за советом к лаборанту или к преподавателю.

6.Если герметичность не нарушена, откройте кран 7 на одну из ампул, указанных преподавателем и включите ее прогрев, установив на ЛАТР-е

напряжение 140 вольт. Конечная температура прогрева ампулы с адсорбентом не должна превышать 200о С. После ее установления ампула для очистки поверхности селикагеля от остаточных газов и паров прогревается в течение 20 минут.

Б) Адсорбционные измерения:

Температурный диапазон – от 0 до 75 о С.

ВНИМАНИЕ! Температура должна быть постоянна в течение всех измерений одной серии.

Давление паров воды в мм масляного столба равно разности уровней масла в левом и правом коленах масляного манометра (hл – hп = h)

64

1.Установите минимальную температуру ампулы с селикагелем в диапазоне 50 – 75 о С.

2.Закройте кран 2, 5 и 7. Краны 4,6 и 8 должны быть открыты.

3.Медленно открывая кран 3, напустите пары воды в объем до давления h = 25 – 30 мм масляного столба. Если Вы превысили это значение,

откачайте излишек пара воды, осторожно открыв кран 2. Запишите величину установившегося исходного давления в столбец h исх. таблицы 2.

4.Убедитесь, что температура ампулы с селикагелем постоянна, и откройте кран 7.

5.Давление пара воды начнет уменьшаться. Установление адсорбционного равновесия занимает до 20 минут. Убедившись, что

давление постоянно, запишите его значение в столбец hравн. таблицы 3.2.

6.Закройте кран 7, откройте кран 3, напустите следующую порцию паров воды увеличив первое исходное давление на 25 – 30 мм масляного столба. Повторите измерения, как это показано в пп. 4,5.

7.Манипуляции с напуском паров воды и с измерением их давления, указанные в пп.3-6 проведите для 5-7 значений равновесных давлений пара, увеличивая каждое следующее исходное давление пара воды на 25-30 мм масляного столба.

8.Подготовьте установку к следующей серии опытов при другой

температуре. Для этого откройте кран 2 и 5 и откачайте установку прогревая ампулу с селикагелем при 200 оС в течение 20 минут.

9.Охладите ампулу до температуры, которая на 20 – 30о ниже выбранной Вами в предыдущей серии опытов.

10.Повторите все операции, указанные в пп.2-9 для каждой из 4-5 температур указанного выше диапазона.

11.Результаты измерений запишите в таблицу 3.2.

В) Выключение вакуумной установки:

1.Перед выключением вакуумная установка откачивается при комнатной температуре в течение 20 минут при всех открытых кранах за исключением кранов 1 и 3, которые должны быть закрыты.

2.Выключение вакуумной установки производится закрытием кранов в следующей последовательности: 7,8,6,4,2. Кран 5 оставить открытым.

65

3.Выключить форвакуумный насос и быстро, но осторожно открыть кран 1, впустив атмосферный воздух в насос.

4.Выключить все остальные приборы.

Г) Расчет адсорбции:

1. Пересчитайте давление в мм рт.ст. по формуле: Р(мм рт.ст) = 0,06 h(

мм масл.ст.). (Коэффициент пересчета равен отношению плотностей масла (дибутилфталата) к плотности ртути: dм/dHg = 0,82/13,56 = 0,06), а затем в атмосферы (Рмм рт.ст./760).

2. Считая пар идеальным газом, используя уравнение Клапейрона – Менделеева (PV = nRT), определите количество пара в молях. При расчете примите, что Т – комнатная температура, т.к. прогревается только малая часть всего объема, в котором находятся пары воды. Общий объем, в котором находятся пары воды между кранами 2, 5 и 7, равен 1,94 л. Т.к. объем ампулы, в которой находится селикагель мал, примем, что общий объем не изменится, когда кран 7 будет открыт.

3. Рассчитайте величину адсорбции ns по формуле ns = ns1 + ∑Δn. и удельную адсорбцию nsу (величина адсорбции, отнесенная к 1 грамму адсорбента (nsу = ns/m, где m – навеска адсорбента) для каждого равновесного давления адсорбата. В связи с тем, что по технологии эксперимента адсорбированные молекулы не откачиваются перед следующим напуском паров воды, и адсорбция, кроме первого напуска, происходит на частично заполненную поверхность, для каждой изотермы

полная адсорбция nsполн. при данном Рравн, равна сумме всех добавок воды, рассчитанных при меньших давлениях паров воды по формуле: ni исх. - ni равн..

4.Результаты для всех изотерм адсорбции занести в таблицу 3.2.

5.На одном графике построить все полученные Вами изотермы адсорбции (зависимость величины адсорбции от равновесного давления адсорбата).

6.Произвести необходимые построения и получить данные для построения изостер адсорбции.

7.Рассчитать изостерические теплоты адсорбции при разных степенях заполнения поверхности.

8.Построить зависимость теплоты адсорбции от количества адсорбированного пара воды.

9.Рассчитать среднемольную теплоту адсорбции для двух значений ns.

10.Проанализировать формы изотерм адсорбции, оценить тип поверхности адсорбента и характер поведения частиц адсорбата на поверхности.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

Перед выполнением работы:

1.Назовите цель работы.

2.Назовите основные элементы вакуумной установки

66

3.Расскажите последовательность подготовки установки к работе.

4.Расскажите последовательность выполнения адсорбционных измерений.

5.Как пересчитать давление, выраженное в мм масляного столба в атмосферы?

6.Как определить число молей паров воды на адсорбенте?

7.Какую температуру необходимо взять для расчета числа молей паров

воды?

8.В работе Вы каждый раз определяете два давления пара: до напуска пара в ампулу с селикагелем и после его напуска. Какое давление необходимо использовать для построения изотерм?

9.Как из полученных Вами экспериментальных данных определить изостерическую теплоту адсорбции?

10.Как определить среднемольную теплоту адсорбции из экспериментальных данных?

К защите работы:

1. Дайте определение следующих понятий: адсорбция, адсорбат, адсорбент, дифференциальная теплота адсорбции, интегральная теплота адсорбции.

2.Как графически определить интегральную и дифференциальную теплоты адсорбции?

3.Как из экспериментальных данных определить тип поверхности адсорбента?

4.Как из экспериментальных данных определить поведение адсорбированных частиц на поверхности адсорбента?

5.Какое выражение адсорбции вы получаете из экспериментальных данных: полное содержание адсорбата или избыточную величину?

6.Изобразите зависимость теплоты адсорбции от концентрации на однородной и неоднородной поверхности и дайте объяснение причины такой зависимости.

7.Напишите, какие уравнения отвечают монослойной и полимолекулярной адсорбции на однородной поверхности адсорбента.

Работа 3.2. ИЗУЧЕНИЕ АДСОРБЦИИ УКСУСНОЙ КИСЛОТЫ ИЗ ВОДНОГО РАСТВОРА НА АКТИВИРОВАННОМ УГЛЕ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: получение изотермы адсорбции уксусной кислоты на активированном угле интерферометрическим методом

Оборудование: Интерферометр, аналитические весы, 100 мл колбы с пробкой, фильтровальная бумага.

Реактивы: уксусная кислота, дистиллированная вода, активированный уголь.

67

прохождения луча через стандартный раствор, другой – через исследуемый. Механизм 6 служит для определения сдвига максимумов и минимумов полос рабочего раствора по отношению к стандартному. Вращением микрометрического винта механизма 6 можно поворачивать компенсационные пластины 4 и таким образом изменять толщину проходимого лучём слоя жидкости и смещать несовпадающие полосы спектра исследуемого раствора до их совпадения со спектром стандартного раствора; шкала винта позволяет определить величину этого смещения. Отсчет производится при совпадении центральных темных полос обоих спектров. Показание шкалы микрометрического винта пропорционально показателю преломления n исследуемой жидкости.

Рис. 3.12. Калибровочный график растворов уксусной кислоты

Порядок выполнения работы:

Подготовка к измерению:

1.Приготовьте в мерных колбах на 100 мл растворы уксусной кислоты концентрации 0,5, 0,75, 1,0, 1,25, 1,5, 1,75, 2,0, 2,25 2,5, 3,0 моль/л

2.Возьмите навески активированного угля ~ 1 г по количеству приготовленных вами концентраций и поместите каждую навеску в сухую пробирку. Уголь должен быть предварительно высушен.

Калибровка прибора:

1.В обе части кюветы залейте воду, закройте кювету крышкой и вращением микрометрического винта механизма 6 найдите положение, когда полосы верхнего и нижнего спектров совпадают. Запишите показание шкалы в таблицу (значение нулевого отсчета прибора nо).

2.Оставьте воду в левой половине кюветы, из правой половины пипеткой удалите воду, высушите фильтровальной бумагой и заполните исследуемым раствором самой низкой из приготовленных Вами концентраций, закройте кювету крышкой (крышка предохраняет раствор от испарения, которое приводит к изменению его концентрации) и произведите измерение смещения полос нижнего спектра относительно полос спектра стандартного раствора (воды). Запишите показание шкалы n в таблицу.

69

спектра относительно полос спектра стандартного раствора (воды). Запишите показание шкалы n в таблицу. Определите (n – nо).

4.Для определения равновесной концентрации, установившейся в пробирке с адсорбентом, используйте калибровочный график. Найдите на

графике значение, соответствующее полученному вами (n – nо). Проведите линию параллельную оси абсцисс до пересечения с калибровочной прямой. Из точки пересечения опустите перпендикуляр на ось абсцисс и определите искомую концентрацию. Результат запишите в соответствующее поле таблицы.

5.Снимите показания интерферометра с водой в качестве стандарта с максимально возможным количеством концентраций растворов уксусной кислоты в качестве рабочего раствора, как это описано в п.4.

6.Если при высоких концентрациях рабочего раствора, когда в качестве стандарта выбрана вода, шкалы микрометрического винта механизма 6 не хватает, возьмите второй стандартный раствор уксусной кислоты и продолжите измерения равновесных концентраций с оставшимися растворами по аналогичной методике.

отнесенную к 1 грамму адсорбента, где V – объем раствора в пробирке, m – навеска угля.

8.Постройте изотерму адсорбции (nsу = f(Сравн.)).

9.Проанализировать формы изотерм адсорбции, оценить тип

поверхности адсорбента и характер поведения частиц адсорбата на поверхности.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

Перед выполнением работы:

1.Сформулируйте цель работы.

2.Объясните принцип интерферометрического метода измерения концентраций растворов.

3.Как определить nо?

4.Объясните методику калибровки интерферометра?

5.График, какой зависимости нужно получить по результатам калибровки? Изобразите эту зависимость.

6.Какова методика подготовки растворов и определения Сравн?

7.Как рассчитать величину адсорбции уксусной кислоты из экспериментальных данных?

8.Как должна выглядеть зависимость nsу = f(Сравн.) в проводимом вами опыте?

71

Кзащите работы:

1.Дайте определение адсорбции по Гиббсу.

2.Какой может быть размерность величины адсорбции?

3.Функцией, какой концентрации, исходной или равновесной, является величина адсорбции из растворов. Приведите аргументы.

4.Какая температура (низкая или высокая) более эффективна для очистки активированным углем следов органической кислоты в воде. Приведите аргументы.

Работа 3.3. ИЗУЧЕНИЕ АДСОРБЦИИ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ (ПАВ) НА ГРАНИЦЕ ВОЗДУХ-РАСТВОР

ЦЕЛЬ РАБОТЫ:

∙Определение поверхностного натяжения растворов ПАВ разных концентраций методом Ребиндера;

∙Использование изотерм поверхностного натяжения для расчета адсорбции ПАВ и построения изотермы адсорбции;

∙Проверка выполнимости правила Дюкло – Траубе.

дистиллированная вода.

Измерение поверхностного натяжения жидкостей методом Ребиндера.

Принцип метода заключается в следующем: если через капилляр радиуса r, погруженный в исследуемую жидкость, подавать воздух, то давление в капилляре постепенно увеличивается до тех пор, пока пузырек воздуха, образующийся у конца трубки, не примет форму полусферы (рис.13). После этого для отрыва пузырька уже не требуется дальнейшего увеличения давления. Сила, способствующая образованию пузырька, пропорциональна давлению, а сила, препятствующая его образованию, пропорциональна поверхностному натяжению.

Пусть p - избыток давления в пузырьке над внешним давлением в момент отрыва пузырька. Для капилляра данного радиуса этот избыток давления зависит от величины поверхностного натяжения. Отношение этого избытка давления к величине поверхностного натяжения жидкости есть константа данного капилляра p/σ = const. Тогда для двух жидкостей с различными значениями поверхностного натяжения можно записать

72