адсорбция - Северский технологический институт

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
СЕВЕРСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения
высшего профессионального образования
«Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
Утверждаю
зав. кафедрой ХиТМСЭ
д–р. техн. наук, профессор
Гузеев В.В.
»
2010 г.
«
А.В. Конькова
АДСОРБЦИЯ
Руководство к лабораторной работе
Северск 2010
УДК
ББК
К
Конькова А.В. Адсорбция: руководство к лабораторной работе. / А.В. Конькова –
Северск: Изд–во СТИ НИЯУ МИФИ, 2010. – 9 с.
Руководство содержит план коллоквиума, краткое изложение теории, описание лабораторной работы и список рекомендуемой литературы, необходимой для подготовки к
коллоквиуму.
Предназначено для студентов специальности 240601 СТИ НИЯУ МИФИ при выполнении лабораторных работ по курсу «Поверхностные явления и дисперсные системы».
Руководство одобрено на заседании кафедры ХиТМСЭ (протокол № 25 от 22 июня
2009 г.).
Печатается в соответствии с планом выпуска учебно – методической литературы на
2010 г., утверждённым Ученым советом СТИ НИЯУ МИФИ.
Рег. № 67/09 от « 15 » 12 2009
Рецензент О.А Ожерельев – доцент кафедры ХиТМСЭ СТИ НИЯУ МИФИ, канд.
техн. наук
Редактор Р.В. Фирсова
Подписано к печати_______ Формат 60х84/32
Гарнитура Times New Roman. Бумага писчая №2
Плоская печать. Усл. печ. л. 0,26 Уч. изд. л. 0,47
Тираж 50 экз.
Заказ_____
Отпечатано в ИПО СТИ НИЯУ МИФИ
636036, г. Северск Томской обл.,
пр. Коммунистический, 65
2
Содержание
1 План коллоквиума ................................................................................ 4
2 Теоретическая часть ............................................................................. 4
3 Экспериментальная часть ..................................................................... 8
4 Безопасность труда ............................................................................... 9
Рекомендуемая литература .................................................................. 9
3
1 План коллоквиума
1.1 Сорбция и ее разновидности.
1.2 Особенности свойств поверхностных молекул. Причина адсорбции.
1.3 Единицы измерение адсорбции.
1.4 Факторы, влияющие на величину адсорбции.
1.5 Изотерма адсорбции. Уравнения Ленгмюра и Фрейндлиха.
2 Теоретическая часть
Сорбцией называется явление поглощения одного вещества другим.
Различают три основных вица сорбции: адсорбция, абсорбция и хемосорбция.
Абсорбция – объемное поглощение, при котором процесс поглощения
газа или жидкости, начинаясь с поверхности поглощающего тела, распространяется по всему его объему.
Адсорбция – поверхностное поглощение, при котором поглощаемое
вещество не распространяется вглубь поглощающего тела, а лишь концентрируется на его поверхности.
Хемосорбция – процесс, при котором поглощаемое вещество химически взаимодействует с поглотителем (примером хемосорбции является образование оксидной пленки на поверхности некоторых металлов, таких как Zn,
Al, Fe). Из практики известно, что в одной и той же системе могут одновременно протекать все виды сорбции, однако наибольшее значение имеет адсорбция.
В общем случае поглощающее вещество называется сорбентом, поглощаемое – сорбтивом или сорбатом. При адсорбции это адсорбент и адсорбтив.
Адсорбция может протекать на поверхностях раздела: твердое – газ;
твердое – жидкость; жидкость – газ; жидкость – жидкость (в случае ограниченной взаимной растворимости или полной нерастворимости жидкостей).
Адсорбция является поверхностным явлением, поэтому она имеет большое
значение для коллоидных систем, обладающих большой поверхностью раздела фаз. Причиной адсорбции является наличие избыточной энергии у молекул поверхностного слоя адсорбента. Установлено, что молекулы адсорбента в поверхностном слое и в объеме энергетически неравноценны. Молекула 1, показанная на рисунке 1, находящаяся в объеме, окружена такими же
молекулами со всех сторон, поэтому ее силовое поле компенсируется силовыми полями таких же окружающих частиц. Равнодействующая (R) всех сил,
действующих на нее, равна нулю.
Силовое же поле молекулы поверхностного слоя лишь частично компенсируется со стороны объема адсорбента. Равнодействующая сил, действующих на такую молекулу, не равна нулю и направлена внутрь адсорбента.
4
2
газ
жидкость
1
R≠0
R=0
Рисунок 1 – Молекулярные силы в поверхностном слое
Молекулы поверхностного слоя имеют избыточную энергию, которую
они стремятся уменьшить, например, за счет взаимодействия с молекулами
окружающей среды.
Процесс адсорбции идет самопроизвольно с выделением тепловой
энергии в окружающую среду (теплота адсорбции). Одновременно с этим
идет и обратный процесс – десорбция, вызванная, как и диффузия, стремлением вещества к равномерному распределению вследствие теплового движения. Для каждой концентрации адсорбтива в окружающей среде существует
состояние адсорбционного равновесия, которое устанавливается при равенстве скоростей адсорбции и десорбции. Такая концентрация называется равновесной.
Для количественной характеристики адсорбции применяют, в основном, две величины. Если поверхность адсорбента идеально гладкая (адсорбент–жидкость), то все молекулы поверхностного слоя энергетически равноценны, и каждая из них может образовать связь с молекулой адсорбтива, то
есть стать так называемым адсорбционным центром. В этом случае величина
поверхности определяется достаточно точно, адсорбция обозначается буквой
«а» и измеряется числом молей (или граммов) адсорбтива, приходящегося на
единицу поверхности адсорбента:
ммоль
[a ] = моль
,
.
2
2
м
см
Если поверхность адсорбента точно установить нельзя (твердые, пористые вещества), то адсорбция измеряется в молях адсорбтива, приходящихся на 1 г адсорбента:
[а ] = моль .
г
Существует также введенная Гиббсом мера адсорбционной способности адсорбента Г – избыток массы адсорбтива в объеме поверхностного слоя
5
площадью 1 см2 над массой его в равном объеме окружающей среды. При
малых концентрациях адсорбтива, гиббсовская адсорбция «Г» близка к поверхностной концентрации «а», при больших концентрациях адсорбтива
Г ≠ а. Размерность Г одинакова с [a].
Величина адсорбции зависит от природы адсорбента и состояния его
поверхности, природы адсорбтива, температуры, концентрации адсорбтива в
окружающей среде и природы растворителя (если адсорбтив является растворимым веществом).
Зависимость величины адсорбции от природы адсорбента и состояния
его поверхности изучена пока недостаточно. Результаты формулируются так:
полярные адсорбенты лучше адсорбируют полярные вещества; неполярные
адсорбенты лучше адсорбируют неполярные молекулы. Поскольку при адсорбции из растворов молекулы растворителя и растворенного вещества являются конкурентами за место на адсорбционном центре, для адсорбции неполярного вещества из полярного растворителя следует применять неполярные адсорбенты (например, из водного раствора неполярные органические
вещества хорошо адсорбируются неполярным активированным углем).
Температура влияет на величину адсорбции следующим образом: чем
выше температура, тем активнее броуновское движение молекул, тем больше
десорбция и меньше адсорбция.
Зависимость адсорбции от концентрации адсорбтива изучается при постоянстве температуры и поэтому носит название изотермы адсорбции. Эта
зависимость имеет графическое и математическое выражения.
Схематически вид изотермы адсорбции изображен на рисунке 2.
Рисунок 2 – Изотерма адсорбции
Анализируя изотерму, представленную на рисунке 2, видим, что в области малых концентраций наблюдается прямая пропорциональность (см.
рисунок 2, участок I), при дальнейшем увеличении концентрации адсорбтива
адсорбция увеличивается, но уже в меньшей степени (см. рисунок 2,
участок II). При больших концентрациях кривая переходит в прямую, парал6
лельную оси абсцисс (см. рисунок 2, участок III). Такой вид кривой обусловлен постепенным насыщением поверхности адсорбента. С момента полного
насыщения (Г = Г∞) увеличение концентрации на количество адсорбированного вещества уже не влияет. Величина Г∞ называется адсорбцией при полном насыщении поверхности.
Зависимость адсорбции от концентрации адсорбтива выражается не
только графически, но и математически. Простейшим уравнением изотермы
адсорбции является уравнение Ленгмюра:
Г = Г∞
где Г
Г∞
С
D
–
–
–
–
С
,
С+D
(1)
величина адсорбции при данном заполнении поверхности;
адсорбция при полном заполнении поверхности;
концентрация раствора или газа;
константа, зависящая от соотношения констант скорости адсорбции и десорбции.
Уравнение изотермы адсорбции Ленгмюра применяется и в таком виде:
a = a∞
KC
,
1 + KC
(2)
где K – константа адсорбционного равновесия.
Кроме уравнения Ленгмюра часто используется эмпирическое уравнение Фрейндлиха:
Г = β ⋅ Cα ,
(3)
где Г
– адсорбция;
С
– концентрация адсорбтива;
α и β – эмпирические константы, зависящие от температуры, природы
адсорбента и адсорбтива.
Для определения констант α и β уравнение (2) логарифмируют:
lg Г = lg β + α lg C.
Это уравнение прямой, построенной в координатах lgГ–lgC, пересекающей ось ординат (lgГ) на расстоянии lgβ от начала координат и наклоненной к оси абсцисс под углом ϕ, тангенс которого равен α, как показано на
рисунке 3.
Для определения α и β строят график зависимости lgГ от lgC. Значение
α, равное tgϕ, определяют как отношение соответствующих сторон образующегося прямоугольного треугольника.
Уравнение Фрейндлиха имеет ограниченное применение, так как оно
отвечает лишь среднему участку II изотермы для средних концентраций, тогда как уравнение Ленгмюра описывает всю изотерму в целом.
7
Рисунок 3 – График зависимости lgГ от lgC
При экспериментальном определении величины адсорбции ее можно
выразить и так:
Г=
V(C 0 − C )
,
m
(4)
где Г
– адсорбция (количество миллимолей вещества, адсорбированное одним граммом адсорбента);
С0 и С – начальная и равновесная (установившаяся после адсорбции)
концентрация, ммоль/мл;
V
– объем раствора, взятого для адсорбции, мл;
m
– масса адсорбента, г.
При использовании этого уравнения исследование адсорбции сводится
к определению концентрации раствора до и после адсорбции.
3 Экспериментальная часть
Цель работы: Изучение зависимости адсорбции от концентрации, построение изотермы адсорбции и определение констант уравнения Фрейндлиха.
Для выяснения зависимости величины адсорбции от концентрации адсорбтива в четыре чистые и сухие склянки помещают точно по одному грамму измельченного в ступке активированного угля и по 25 мл растворов уксусной кислоты следующих концентраций: 0,025 н; 0,05 н; 0,1 н; 0,2 н.
Склянки закрывают пробками, энергично встряхивают и оставляют на
10–20 минут, время от времени встряхивая.
Через сухие фильтры смеси фильтруют в отдельные колбочки, отбрасывая первые порции фильтрата (≈ 1 мл). (Фильтр – это тоже адсорбент).
8
Отобрав пипеткой из фильтрата пробы по 10 мл, определяют равновесные концентрации растворов уксусной кислоты титрованием 0,1 н NаОН.
По формуле (4) определяют величину адсорбции Г. Полученные данные заносят в таблицу 1.
Строят, опытную изотерму адсорбции, отложив по оси абсцисс значения равновесной концентрации С, а по оси ординат значения Г.
Определяют константы α и β в уравнении Фрейндлиха (см. рисунок 3).
По уравнению (3) для каждой равновесной концентрации рассчитывают величину Г и на графике, наряду с опытной изотермой адсорбции, строят
для сравнения изотерму теоретическую.
Таблица 1 – Экспериментальные и расчетные данные
Кол-во 0,1 н
С0,
С,
С0 – С,
Г,
№
lgГ lgC
NaOH, пошедшего
ммоль/мл моль/мл моль/г
склянки ммоль/мл
на титрование, мл
1
0,025
2
0,05
3
0,1
4
0,2
На основании полученных данных следует сделать вывод о зависимости величины адсорбции от концентрации адсорбтива, указать значения констант уравнения Фрейндлиха, определить (приближенно) область применимости этого уравнения.
4 Безопасность труда
В лаборатории запрещается пить воду, принимать пишу, выполнять постороннюю работу.
Приступать к выполнению работы можно только после ознакомления с
ее описанием и с разрешения преподавателя. Работать следует в халате, соблюдая все правила по технике безопасности и противопожарной технике.
Нельзя сливать в раковину органические вещества. Их следует сливать
в специальную посуду. Нельзя засорять раковину использованными в работе
фильтрами и активированным углем.
Рекомендуемая литература
1 Киреев В.А. Курс физической химии. – М.: Химия, 1975. - С. 498–
490, 501, 504–511.
2 Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии. – М.: Химия, 1975. - С. 81–85.
9