- •Лабораторная работа № 1 определение теплоты реакции нейтрализации
- •Цель работы.
- •Реактивы.
- •Оборудование и посуда.
- •Выполнение работы.
- •Обработка результатов.
- •Контрольные вопросы и задачи.
- •Лабораторная работа № 2 осмос
- •Цель работы
- •Выполнение опыта
- •Контрольные вопросы и задания
- •Лабораторная работа № 3 определение константы скорости химической реакции
- •Обработка результатов.
- •Контрольные вопросы и задания
- •Лабораторная работа № 4 свойства дисперсных систем. Коагуляция.
- •1. Дисперсные системы
- •Цель работы:
- •Реактивы:
- •Выполнение работы.
- •1. Получение золя гидроксида железа (III)
- •2. Определение порога коагуляции золя электролитами.
- •Контрольные вопросы.
- •Лабораторная работа № 5 адсорбция уксусной кислоты на поверхности активированного угля
- •Обработка результатов.
- •Контрольные вопросы.
- •Лабораторная работа № 6
- •Электрические свойства.
- •Электрокинетические явления.
- •Цель работы.
- •Реактивы.
- •Оборудование и посуда.
- •Выполнение опыта.
- •Контрольные вопросы.
Контрольные вопросы.
Какие существуют методы получения дисперсных систем?
Чем отличается коллоидно-дисперсные системы от истинных растворов и грубодисперсных систем?
Приведите строение мицелл золя гидроксида железа (III), иодида серебра, полученного при избытке иодида калия и при избытке нитрата серебра.
В чем заключается явление коагуляции?
Что такое порог коагуляции и как его можно определить экспериментально?
В чем заключается правило Шульце-Гарди?
Что такое коллоидная защита?
Лабораторная работа № 5 адсорбция уксусной кислоты на поверхности активированного угля
Свойства участка фазы, примыкающего к поверхности раздела фаз, отличаются от свойств фазы в объеме: фактически частицы, находящиеся на поверхности каждой фазы, образуют особую поверхностную фазу, свойства которой существенно отличаются от свойств внутренних областей фазы. Частицы, расположенные на поверхности, находятся в другом окружении по сравнению с частицами, находящимися в объеме фазы, те взаимодействуют как с однородными частицами, так и с частицами другого рода. Следствием этого является то, что средняя энергия частицы, находящейся на поверхности раздела фаз отличается от средней энергии такой же частицы в объеме фазы (причем энергия частицы на поверхности может быть как больше, так и меньше энергии частицы в объеме). Поэтому важнейшей характеристикой поверхностной фазы является поверхностная энергия Gs.
Для характеристики поверхности раздела, отделяющей одну фазу от другой, вводится понятие поверхностное натяжение σ – отношение поверхностной энергии к площади поверхности раздела фаз; величина поверхностного натяжения зависит только от природы обеих фаз. Как и поверхностная энергия фазы поверхностное натяжение может иметь как положительное, так и отрицательное значение Поверхностное натяжение положительно, если находящиеся на поверхности частицы взаимодействуют с частицами этой же фазы сильнее, чем с частицами другой фазы. Согласно принципу минимума свободной энергии, любая фаза будет стремиться самопроизвольно уменьшить свою поверхностную энергию; поэтому в случае положительного поверхностного натяжения фаза стремится уменьшить свою поверхность.
На границе конденсированной (т.е. твердой или жидкой) фазы с газом поверхностное натяжение всегда положительно, поскольку частицы конденсированной фазы взаимодействуют друг с другом сильнее, чем с молекулами газа. Согласно принципу минимума свободной энергии, конденсированная фаза будет стремиться самопроизвольно уменьшить свою поверхностную энергию. Это может быть результатом либо уменьшения площади поверхности фазы (именно поэтому капля жидкости в невесомости принимает форму сферы), либо уменьшения поверхностного натяжения при появлении на поверхности раздела фаз новых частиц – молекул газа либо растворенного вещества. Процесс
Явление самопроизвольного изменения концентрации какого-либо вещества у поверхности раздела двух фаз называется абсорбцией. Повышение концентрации газообразного или растворенного вещества на поверхности раздела фаз, например, на поверхности раздела твердое тело – газ, твердое тело – раствор, жидкость – газ (воздух) называется адсорбцией. Газ или растворенное вещество, концентрирующееся на поверхности, называется адсорбтивом, а вещество, на поверхности которого происходит адсорбция – адсорбентом.
Различают физическую адсорбцию, когда частицы адсорбированного вещества не образуют химических связей с адсорбентом, и хемосорбцию, когда адсорбционные силы имеют химическую природу.
Адсорбция определяется природой поглощаемого вещества и поглотителя, ее величина зависит от температуры, давления поглощаемого газа, концентрации раствора, из которого осуществляется адсорбция.
Количество адсорбированного вещества пропорционально площади поверхности тела. Поэтому вещества в мелкораздробленном состоянии, имея большую поверхность, обладают значительной адсорбционной способностью. К эффективным адсорбентам можно отнести уголь, силикагель, глину, каолин, а также целлюлозу, фильтровальную бумагу, хлопчатобумажную ткань, натуральный шелк, шерсть и другие материалы.
Зависимость адсорбции от давления газа (его концентрации) или содержания адсорбируемого вещества в растворе при данной температуре может выражаться уравнением адсорбции Лэнгмюра (изотермой Лэнгмюра)
(1),
где Г и Г – количества адсорбированного вещества на единице поверхности адсорбента, выражаются в моль/м2, Г – адсорбция в состоянии адсорбционного равновесия, Г – максимально возможная адсорбция; С – концентрация (моль/л) адсорбируемого вещества в растворе в состоянии адсорбционного равновесия (равновесная концентрация); К – константа Лэнгмюра.
|
Рис. 1. Изотерма адсорбции раствор-пар. График изотермы адсорбции Ленгмюра. |
Для экспериментального определения Г и К уравнение адсорбции Ленгмюра преобразовывают и приводят к виду прямопропорциональной зависимости у=кх+а:
|
(2)
Рис. 2. Линейный вид изотермы адсорбции Ленгмюра.
Тангенс угла наклона полученной прямой: , прямая отсекает на оси ординат отрезок, равный |
Теория полимолекулярной адсорбции Поляни
На практике часто (особенно при адсорбции паров) встречаются так называемые S-обраэные изотермы адсорбции (рис. 3). Форма кривой адсорбции свидетельствует о возможном взаимодействии адсорбированных молекул с адсорбатом.
|
Рис. 3 Изотерма полимолекулярной адсорбции
S-образная форма |
Для описания таких изотерм адсорбции М. Поляни предложил теорию полимолекулярной адсорбции, основанную на следующих основных положениях
1 Адсорбция вызвана чисто физическими силами
2 Поверхность адсорбента однородна, те на ней нет активных центров: адсорбционные силы образуют непрерывное силовое поле вблизи поверхности адсорбента
3 Адсорбционные силы действуют на расстоянии, большем размера молекулы адсорбата Иначе говоря, у поверхности адсорбента существует некоторый адсорбционный объем, который при адсорбции заполняется молекулами адсорбата.
4 притяжение молекулы адсорбата поверхностью адсорбента не зависит от наличия в адсорбционном объеме других молекул, вследствие чего возможна полимолекулярная адсорбция.
5 Адсорбционные силы не зависят от температуры и, следовательно, с изменением температуры адсорбционный объем не меняется.
Уравнение Фрейндлиха
В некотором интервале концентраций, для не слишком разбавленных, но и не очень концентрированных растворов, адсорбция может быть описана эмпирическим уравнением Фрейндлиха:
(3),
где х - количество растворенного вещества, адсорбированного массой m поглотителя и находящегося в равновесии с раствором концентрации С, а и n - эмпирические константы, характерные для данного процесса адсорбции в определенных пределах, n характеризует кривизну изотермы адсорбции (рис. 4), обычно имеет значения от 0,1 до 0,6.
|
|
|
Рис. 4. Изотерма адсорбции Фрейндлиха
|
|
Рис. 5. Логарифмическая изотерма адсорбции Фрейндлиха
|
Строго говоря, количество адсорбированного вещества следует относить не к единице массы, а к единице площади поверхности, но для мелкораздробленных веществ и однородных суспензий (например, взмученный порошок активированного угля) поверхность растет пропорционально обшей массе.
Для нахождения значений эмпирических констант а и n по экспериментальным данным нужно прологарифмировать уравнение (3), тогда оно примет вид:
(4).
Полученное уравнение есть уравнение прямой линии (рис. 5). По оси ординат откладывают величины lg(x/m) , а по оси абцисс – Ig C. Прямая отсекает на оси ординат отрезок, равный lg a, a n – это тангенс угла наклона полученной прямой.
Если адсорбция какого-либо вещества данным адсорбентом значительно превосходит адсорбцию других , то говорят об избирательной адсорбции. На явлении избирательной адсорбции основан хроматографический метод анализа Н.С.Цвета.
Цель работы.
1. Наблюдать адсорбцию на границе жидкой и твердой фаз.
2. Построить изотерму адсорбции.
3. Найти значения а и n в уравнении Фрейндлиха.
Реактивы.
Активированный уголь (12 таблеток по 0,25 г).
Растворы уксусной кислоты концентраций 0,12 М, 0,05 М, 0,2 М.
Раствор NаОН 0,1 н.
Раствор фенолфталеина (индикатор).
Оборудование и посуда:
Шесть конических колб на 50 мл.
Бюретка на 50 или 25 мл.
Измерительный цилиндр.
Пипетки на 50 мл и 10 мл.
Три воронки для фильтрования.
Фильтровальная бумага.
Выполнение работы.
В пронумерованные колбы (№1, №2, №3) цилиндром наливают по 100 мл растворов уксусной кислоты концентраций 0,012 М, 0,05 М и 0,2 М соответственно.
В каждую колбу добавляют по 1 г предварительно растертого в ступке активированного угля (по четыре таблетки). Тщательно взбалтывают все колбы в течение 10 минут.
Отфильтровывают содержимое каждой колбы через бумажные фильтры в чистые пронумерованные колбы (№1’, №2’, №3’). Использованные колбы №1, №2, №3 моют, споласкивают дистиллированной водой.
В них отбирают пипеткой пробы из фильтратов: из колб №1’и №2’ по 50 мл, из колбы №3’ – 10 мл.
Пробы титруют 0,1 н раствором NаОН в присутствии фенолфталеина до бледно-розовой окраски для определения концентрации уксусной кислоты после адсорбции.
Обработка результатов.
Концентрацию уксусной кислоты после адсорбции С (моль/л) вычисляют по формуле
,
где 0,1 – концентрация раствора NаОН, н; Vщ – объем раствора щелочи, пошедший на титрование пробы фильтрата; V – объем фильтрата, взятый для титрования.
Для всех трех проб рассчитывают значения х = (Со – С)∙0,1 (моль) и х/m (m - масса угля, взятого для адсорбции).