Робота 2.1. Адсорбція на поверхні рідини

Дослідження адсорбції на поверхні рідини проводять на прикладі адсорбції поверхнево-активних речовин – одноатомних спиртів – на поверхні поділу фаз розчин спирту – повітря. Оскільки поверхнева активність спиртів не однакова, діапазони досліджуваних концентрацій для різних спиртів мають відрізнятися. Молярна маса, густина та рекомендовані для дослідження концентрації розчинів для різних спиртів наведено в табл. 2.2.

Метою роботи є дослідження закономірностей адсорбції ПАР на рідкій поверхні, встановлення параметрів адсорбційного процесу та визначення розмірів молекул ПАР.

Таблиця 2.2. Молярна маса, густина та рекомендовані концентрації розчинів досліджуваних спиртів

Спирт	Молярна маса М, кг/кмоль	Густина , кг/м3	Концентрації сзадан., кмоль/м3
Пропіловий	60,1	804	0,01	0,025	0,05	0,1	0,25	0,5
Ізопропіловий		789	0,01	0,025	0,05	0,1	0,25	0,5
Бутиловий	74,1	804	0,01	0,02	0,05	0,1	0,15	0,2
Ізобутиловий		800	0,01	0,02	0,05	0,1	0,15	0,2
Аміловий	88,1	815	0,01	0,02	0,04	0,06	0,08	0,1
Ізоаміловий		810	0,01	0,02	0,04	0,06	0,08	0,1

Хід виконання роботи

1. Записати в табл. 2.3 температуру досліду, назву досліджуваного спирту та його вихідну концентрацію с₀. Переписати із табл. 2.2 в табл. 2.3 рекомендовані концентрації розчинів для досліджуваного спирту та розрахувати об’єми розчину спирту з вихідною концентрацією V_вих. та води V_води, які потрібно змішати для отримання розчинів об’ємом V_р-ну заданої концентрації. Зазвичай для досліджень готують 10 см³ розчинів.

Таблиця 2.3. Дані для приготування розчинів спирту

Температура досліду		Досліджуваний спирт			Вихідна концентрація спирту
0С	К						кмоль/м3
Номер пробірки			1	2	3	4	5	6
сзадан., кмоль/м3
, см3
, см3

2. Приготувати в окремих пронумерованих сухих пробірках розчини досліджуваного спирту із зазначеними у табл. 2.3 концентраціями, відміряючи бюретками розраховані об’єми вихідного розчину спирту V_вих. та води V_води.

3. За допомогою ретельно промитого сталагмометра визначити кількість крапель дистильованої води n₀, що відповідають об’єму рідини між верхньою та нижньою рисками сталагмометра. Вимірювання проводити тричі до збігу результатів з точністю до однієї краплі. Результати вимірювань записати в табл. 2.4.

4. Аналогічно провести підрахунок кількості крапель для всіх приготованих розчинів у порядку зростання їх концентрацій, починаючи з найнижчої. Перед вимірюванням посудину, з якої заповнюється сталагмометр, необхідно сполоснути невеликою кількістю (~ 1 см³) досліджуваного розчину. Сталагмометр промивати не потрібно. Кількість крапель для кожного розчину визначити тричі і записати отримані дані у відповідний рядок табл. 2.4. Обчислити для кожної концентрації спирту середні значення кількості крапель n.

5. Оскільки розчини розведені, то їх густину можна вважати рівною густині води, тому поверхневий натяг для всіх досліджуваних розчинів розраховувати за спрощеною формулою:

,

(2.10)

де – поверхневий натяг води за температури досліду (див. табл. 2.1). Результати розрахунків занести в табл. 2.4.

Таблиця 2.4. Результати вимірювань поверхневого натягу розчинів спирту

Температура			Досліджуваний спирт				Поверхневий натяг води 0
0С		К								Дж/м2
№ розчину	с, кмоль/м3			Число крапель n					·103, Дж/м2
				1	2	3		середнє
1	0
2
3
4
5
6
7

6. За даними табл. 2.4 побудувати залежність . Оскільки зміна поверхневого натягу від концентрації ПАР описується рівнянням Шишковського , то експериментальні величини  графічно апроксимують плавною кривою. Координати точок, які не потрапляють на криву, мають бути виправлені за допомогою апроксимації. Значення концентрацій досліджуваних розчинів та апроксимовані величини поверхневого натягу _апр., що їм відповідають, записати в

табл. 2.5.

7. Розрахувати послідовно зміну концентрації спирту при переході від одного розчину до іншого як с = с_і+1 с_і та відповідну зміну поверхневого натягу σ = σ_і+1 σ_і, а потім обчислити їх відношення , які є наближеними значеннями похідних. Величини похідних можна замінити відношеннями кінцевих різниць та для значень концентрацій, що відповідають серединам інтервалів с і які розраховуються як середнє арифметичне двох сусідніх концентрацій: . Дані розрахунків записати в табл. 2.5. На підставі отриманих величин обчислити значення надлишкової адсорбції Г за рівнянням Гіббса (2.1), яке в цьому випадку виглядатиме таким чином:

.

При обчисленнях слід враховувати те, що розмірність концентрації – кмоль/м³, тому значення універсальної газової сталої за таких умов R = 8,3110³ Дж/(кмоль∙К).

Таблиця 2.5. Результати розрахунків характеристик адсорбції на поверхні розчинів спирту

с,	апр.·103,	с,		·103,		ссер.,	Г·109,	, м-1	а·109,
0

8. Р озрахувати значення с_сер./Г та побудувати прямолінійну графічну залежність с_сер./Г= f(с_сер.) (рис. 9). За тангенсом кута нахилу прямої визначити величину граничної адсорбції Г_ (a_), яка є оберненою до нього, а за відрізком , що пряма відтинає на осі ординат, обчислити константу K в рівнянні Ленгмюра (або A в рівнянні Шишковського), тобто константу рівноваги адсорбційного процесу. При визначенні параметрів прямої необхідно враховувати масштаби відповідних осей.

9. Обчислити площу, яку займає на поверхні поділу фаз у щільному моношарі одна молекула ПАР: , та товщину адсорбційного шару . Необхідні для розрахунків значення молярної маси та густини спирту запозичити з табл. 2.2. Слід також пам’ятати, що при розрахунках на кмоль число Авогадро N_А = 6,0210²⁶ кмоль^–1.

10. Визначити значення константи В рівняння Шишковського: .

11. Розрахувати за рівнянням Ленгмюра значення повної адсорбції а, використовуючи обчислені параметри адсорбційного процесу К та Г_  а_:

.

Записати отримані результати в останню колонку табл. 2.5 і побудувати на одному полі та в однаковому масштабі графіки залежностей

Г = та а = .

Звіт

Таблиці 2.3, 2.4, 2.5.

Графіки _експ. = ; с_сер./Г= ; Г = та а = .

Константи рівняння Ленгмюра: a_ = кмоль/м², K = м³/кмоль.

Константи рівняння Шишковського: A = м³/кмоль, B = Дж/м².

Площа, яку займає одна молекула адсорбату S₀ = м².

Товщина адсорбційного шару l = м.

Висновок.