- •Поверхневі явища та дисперсні системи
- •Лабораторна робота № 1 «адсорбція»
- •Стислі теоретичні відомості
- •Робота 1.1. Адсорбція органічної кислоти вугіллям з водного розчину Хід виконання роботи
- •Питання до лабораторної роботи
- •Лабораторна робота № 2 «поверхневий натяг. Адсорбція на рідкій поверхні»
- •Стислі теоретичні відомості
- •Методи визначення поверхневого натягу
- •Метод підрахунку крапель
- •Метод максимального тиску газового пухирця (метод Ребіндера)
- •Робота 2.1. Адсорбція на поверхні рідини
- •Хід виконання роботи
- •Робота 2.2. Визначення питомої поверхні адсорбента
- •Хід виконання роботи
- •Питання до лабораторної роботи
- •Лабораторна робота № 3 «теплота змочування»
- •Стислі теоретичні відомості
- •Робота 3.1. Визначення природи поверхні гідрофільних та гідрофобних речовин калориметричним методом
- •Хід виконання роботи
- •Питання до лабораторної роботи
- •Лабораторна робота № 4 «седиментація»
- •Стислі теоретичні відомості
- •Робота 4.1. Седиментаційний аналіз суспензії
- •Хід виконання роботи
- •Питання до лабораторної роботи
- •Лабораторна робота № 5 «в’язкість»
- •Стислі теоретичні відомості
- •Робота 5.1. Дослідження в’язкості структурованих розчинів
- •Хід виконання роботи
- •Питання до лабораторної роботи
- •Таблиця 5.4. Значення констант k та рівняння Марка–Куна–Хаувінка для деяких систем полімер – розчинник
- •Хід виконання роботи
- •Таблиця 5.5. Дані для приготування досліджуваних розчинів
- •Таблиця 5.6. Експериментальні дані та результати розрахунків
- •Питання до лабораторної роботи
- •Лабораторна робота № 6 «одержання та коагуляцiя золів»
- •Стислі теоретичні відомості
- •Робота 6.1. Приготування золів
- •Хід виконання роботи
- •1. Фiзична конденсацiя (замiна розчинника)
- •2. Хiмiчна конденсацiя
- •2.1. Метод окисно-вiдновних реакцiй
- •2.2. Метод реакцiй обмiну
- •2.3. Реакцiї гiдролiзу
- •3. Отримання золю гiдроксиду залiза (III) пептизацiєю
- •3.1. Адсорбцiйна пептизацiя
- •3.2. Диссолюцiйна пептизація
- •4. Одержання емульсiї
- •Робота 6.2. Визначення знаку заряду частинок золів на підставі правила валентності – значності Хід виконання роботи
- •Робота 6.3. Визначення порогу коагуляцiї золю Хід виконання роботи
- •Питання до лабораторної роботи
- •Лабораторна робота № 7 «електрофорез»
- •Стислі теоретичнi вiдомостi
- •Хід виконання роботи
- •Питання до лабораторної роботи
- •Перелік рекомендованої літератури
Лабораторна робота № 1 «адсорбція»
Перед тим, як виконувати лабораторну роботу, необхідно засвоїти основні поняття (адсорбент, адсорбат, ізотерма адсорбції), ознайомитися з кількісним описом залежності величини адсорбції на твердому адсорбенті від концентрації адсорбата (рівняння Фрейндліха та Ленгмюра). Слід звернути особливу увагу на одиниці вимірювання та методику визначення величини адсорбції, а також на розрахунок констант ізотерм адсорбції.
Метою роботи є експериментальне встановлення параметрів адсорбційного процесу на твердій поверхні.
Стислі теоретичні відомості
Тверді тіла, що контактують з розчином, здатні поглинати деяку кількість розчиненої речовини, накопичуючи її на своїй поверхні. Аналогічні явища спостерігаються і при контакті твердих тіл з газами. Процес адсорбції можна розглядати як самочинну зміну концентрації одного з компонентів гетерогенної системи на межі поділу фаз. Фаза гетерогенної системи, на поверхні якої відбувається адсорбція, називається адсорбентом, речовина, що адсорбується, – адсорбатом. Причиною адсорбції є те, що поверхневі молекули адсорбенту енергетично ненасичені і мають надлишок вільної поверхневої енергії. Щоб зменшити цей надлишок, поверхня адсорбенту поглинає молекули адсорбату з оточуючого газу або розчину. При цьому величина вільної енергії системи зменшується (ΔG < 0), тому даний процес перебігає самочинно.
Величину адсорбції прийнято виражати або як відношення кількості речовини адсорбату до одиниці площі поверхні адсорбенту (кмоль/м2), або як відношення кількості речовини адсорбату до одиниці маси адсорбенту (кмоль/кг). В останньому випадку вона називається питомою адсорбцією. Величина адсорбції залежить від природи адсорбенту, стану та величини площі його поверхні, природи адсорбату, температури, концентрації розчину (у випадку адсорбції газу або пари – від їх парціального тиску). На адсорбцію з розчинів впливає також природа розчинника.
Залежність величини адсорбції від рівноважної концентраціїадсорбату у розчині за сталої температури називається ізотермою адсорбції (рис.1).
Рис.1. Ізотерма мономолекулярної адсорбції за Ленгмюром
При малих значеннях рівноважної концентрації адсорбату в розчині величина адсорбції збільшується прямо пропорційно цій концентрації, при середніх значеннях на ізотермі адсорбції спостерігається випукла ділянка, а при великих значеннях рівноважної концентрації адсорбатупрагне до певної величини, яку називають граничною адсорбцією і позначаютьa .
При адсорбції з розчинів ізотерма адсорбції у широкому діапазоні концентрацій адсорбату добре описується рівнянням Ленгмюра:
, |
(1.1) |
де a – величина адсорбції (кмоль/кг) за рівноважної концентрації адсорбату (моль/м3); a∞ – гранична адсорбція (кмоль/кг); К – константа рівноваги процесу адсорбції (м3/кмоль).
Криволінійну ділянку ізотерми адсорбції добре описує рівняння Фрейндліха
, |
(1.2) |
де k і n – емпіричні константи.
Робота 1.1. Адсорбція органічної кислоти вугіллям з водного розчину Хід виконання роботи
Визначити концентрацію вихідного розчину одноосновної карбонової кислоти (мурашиної, оцтової або пропіонової за вказівкою викладача). Для цього відібрати піпеткою зі склянки з кислотою в колбу для титрування 5 см3 розчину кислоти та відтитрувати його 0,1–молярним розчином лугу КОН в присутності індикатора – фенолфталеїну. Розчин титрувати 3 рази до одержання результатів, що співпадають між собою з точністю ± 0,2 см3. Результати титрування занести в табл. 1.1. За середнім значенням об’єму розчину лугу, витраченого на титрування, розрахувати концентрацію вихідного розчину кислоти.
Таблиця 1.1. Дані для розрахунку концентрації вихідного розчину кислоти
Назва кислоти |
Об’єм розчину лугу, витраченого на титрування, , см3 | |||
|
1 проба |
2 проба |
3 проба |
Середнє значення |
|
|
|
| |
Концентрація кислоти у вихідному розчині, кмоль/м3: |
Приготувати п’ять розчинів кислоти різних концентрацій об’ємом 60 см3 кожний, відміряючи бюреткою в п’ять окремих колб зазначені в табл. 1.2 об’єми вихідного розчину кислоти (Vк-ти) та дистильованої води (Vводи). Розрахувати початкові концентрації кислоти (кмоль/м3) у п’яти отриманих розчинах за рівнянням:
,
де Vк-ти – об’єм вихідного розчину кислоти (см3) із концентрацією ск-ти, взятого для приготування розчину за табл. 1.2. Результати розрахунків записати у табл. 1.4.
Таблиця 1.2. Дані для приготування розчинів кислоти
Номер колби |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
Vк-ти , см3 |
50 |
35 |
20 |
10 |
6 |
Vводи, см3 |
10 |
25 |
40 |
50 |
54 |
Зважити на технічних терезах з точністю до 0,01 г 5 наважок активованого вугілля масою 1 г (або іншою масою за вказівкою викладача).
Висипати зважені наважки активованого вугілля в колби з приготованими розчинами. Процес адсорбції повинен тривати не менше 20 хвилин до встановлення адсорбційної рівноваги. Протягом цього часу вміст колб необхідно періодично (з інтервалом у півтори – дві хвилини) збовтувати.
Після встановлення рівноваги профільтрувати розчини у пронумеровані чисті колби в два етапи:
– спочатку через сухі! складані паперові фільтри пропустити перші порції розчинів (~ 1/10 всього об’єму кожного з розчинів, тобто 57 см3), змочуючи таким чином фільтри. Ці перші частини фільтратів необхідно вилити, оскільки концентрація кислоти в них занижена внаслідок її адсорбції на фільтрувальному папері;
– після цього профільтрувати залишки розчинів.
Відтитрувати отримані фільтрати, відбираючи піпеткою з кожної колби об’єми проб, які зазначено в табл. 1.3 (для забезпечення однакової точності титрування об’єми аліквот для фільтратів із різним вмістом кислоти повинні бути різними). Титрування, як і в попередніх випадках, проводити 0,1 М розчином лугу в присутності фенолфталеїну 2 рази до одержання співпадаючих з точністю ± 0,2 см3 результатів. Об’єми витраченого на титрування розчину лугу записати в табл. 1.3.
Таблиця 1.3. Результати титрування розчинів кислоти
Номер колби |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
Vпроби, см3 |
5 |
5 |
10 |
20 |
20 |
Vлугу, см3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
,см3 |
|
|
|
|
|
Визначити рівноважні концентрації кислоти с у розчинах за формулою:
,
де – концентрація розчину лугу, кмоль/м3; Vлугу – об’єм розчину лугу, який витрачено на титрування об’єму Vпроби, см3. Розраховані значення рівноважних концентрацій кислоти у фільтратах занести у табл. 1.4.
Використовуючи дані табл. 1.4, обчислити експериментальні значення питомої адсорбції aексп. (кмоль/кг):
,
де – початкова концентрація кислоти у розчині, кмоль/м3; с – рівноважна концентрація кислоти після встановлення адсорбційної рівноваги, кмоль/м3; V – об’єм розчину кислоти (в нашому випадку V = 60 см3 = 60·10–6 м3); m – маса наважки активованого вугілля, кг. Записати обчислені експериментальні значення питомої адсорбції у табл. 1.4.
Апроксимувати експериментально отримані значення величини адсорбції за допомогою рівняння Фрейндліха (1.2), користуючись для визначення його констант логарифмічною формою у вигляді:
.
Для цього розрахувати значення логарифмів рівноважних концентрацій і логарифмів величин експериментальної адсорбції, записати їх у табл. 1.4 та побудувати графік в координатах (рис. 2).
В зазначених координатах рівняння Фрейндліха є прямою, тангенс кута нахилу якої дорівнює ,авідрізок, який лінія відтинає на осі ординат, відповідає .
Рис. 2. Графік для визначення констант рівняння Фрейндліха
Користуючись отриманими значеннями констант k та n, обчислити за рівнянням (1.2) для кожної рівноважної концентрації с апроксимовані величини питомої адсорбції aапр.. Розраховані апроксимовані значення записати у табл. 1.4, побудувати графік і визначити за ним максимальне експериментальне значення величини адсорбції amax.
Таблиця 1.4. Експериментальні та розрахункові дані адсорбції кислоти на вугіллі
Номер колби |
, кмоль/м3 |
с, кмоль/м3 |
аексп., кмоль/кг |
|
aексп. |
аапр., кмоль/кг | |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
5 |
|
|
|
|
|
|
|
Визначити константи ірівняння Ленгмюра (1.1), використовуючи його лінеаризовану форму
.
Для цього розрахувати значення величин та побудувати лінійну залежність (рис. 3). За графіком обчислити величину граничної адсорбції a, яка є оберненою до тангенса кута нахилу прямої. За величиною граничної адсорбції та за відрізком, який пряма відтинає на осі ординат, розрахувати константу рівняння Ленгмюра.
Визначити ефективність процесу адсорбції за формулою:
,
де аmах – максимальне експериментальне значення величини адсорбції.
Рис. 3. Графік для визначення граничної адсорбції та константи рівноваги процесу
Розрахувати значення питомої поверхні адсорбенту за величиною граничної адсорбції, скориставшись рівнянням
,
де a – величина граничної адсорбції; NA – число Авогадро; S0 – площа, яку займає молекула кислоти на поверхні адсорбенту. Ця площа визначається розміром гідрофільної частини молекули, тому для молекул одного гомологічного ряду вона є однаковою. У випадку одноосновних карбонових кислот S0 = 2210–20 м2 = 22 Å2.
Звіт
Таблиці 1.1, 1.3 та 1.4.
Графіки ;;.
Константи рівняння Фрейндліха k = та n = .
Величина граничної адсорбції a = кмоль/кг.
Константа рівняння Ленгмюра K = м3/кмоль.
Ефективність адсорбції = %.
Питома поверхня активованого вугілля Sпит. = м2/кг.
Висновок.