АДСОРБЦИЯ УКСУСНОЙ КИСЛОТЫ НА ПОВЕРХНОСТИ АКТИВИРОВАННОГО УГЛЯ

Явление самопроизвольного изменения концентрации какого-либо вещества у поверхности раздела двух фаз называется сорбцией. 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. Сорбция, протекающая в толще поглотителя называется абсорбцией.

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.

1. Активированный уголь (12 таблеток по 0,25 г).

2. Растворы уксусной кислоты концентраций 0,12 М, 0,05 М, 0,2 М.

3. Раствор NаОН 0,1 н.

4. Раствор фенолфталеина (индикатор).

Оборудование и посуда:

1. Шесть конических колб на 50 мл.

2. Бюретка на 50 или 25 мл.

3. Измерительный цилиндр.

4. Пипетки на 50 мл и 10 мл.

5. Три воронки для фильтрования.

6. 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; V_щ – объем раствора щелочи, пошедший на титрование пробы фильтрата; V – объем фильтрата, взятый для титрования.

Для всех трех проб рассчитывают значения х = (С_о – С)∙ 0,1 (моль) и х/m (m - масса угля, взятого для адсорбции).

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: