• Лабораторна робота 4
• ТЕМА. Вимірювання адсорбції оцтової кислоти на поверхні вугілля

 

Лабораторна робота 4

ТЕМА. Вимірювання адсорбції оцтової кислоти на поверхні вугілля

МЕТА – ознайомитися з адсорбцією на межі рідкої та твердої фаз. Побудувати ізотерму адсорбції і визначити константи в рівнянні Фрейндліха.

 

ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

Тіла з великою поверхнею при стисканні з газовою або рідкою фазою здатні поглинати частинну добавку її речовини, причому поглинання може відбуватися в усьому об’ємі або тільки на поверхні тіла. Явище поглинання однією речовиною інших речовин називається сорбцією. Сорбція, що відбувається на поверхні тіла, називається адсорбцією, а в товщі поглинача – абсорбцією. Речовину, яка адсорбується, називають адсорбатом, а тверде тіло, на якому вона адсорбується - адсорбентом. Відповідно для абсорбції – абсорбат і абсорбент.

Адсорбція залежить від природи поглинача і речовини, яка поглинається, температури та концентрації розчину (тиску газу). Як адсорбенти застосовуються силікагель, глини (гідрофільні), вугілля, парафін, тальк (гідрофобні). Чим більша різниця в полярності між адсорбованою речовиною і адсорбентом, тим вища адсорбція.

Адсорбція може відбуватися за рахунок молекулярних сил (фізична) і хімічного зв’язку в результаті обміну електронів, які передаються від адсорбату адсорбенту (хемосорбція).

Залежність адсорбції від концентрації розчину (тиску газу) виражається у вигляді рівняння ізотерми адсорбції Ленгмюра

 

 [TEX]a=a_{\infty }\frac{K}{1+KC}  [/TEX] (1)  

е a, a_∞ – адсорбція, гранична адсорбція, г/моль; С – молярна концентрація розчину в момент адсорбційної рівноваги, моль/л; К – стала.

Рисунок 1. Графік ізотерми адсорбції Ленгмюра 

При адсорбції з газового середовища величина С замінюється пропорційною їй величиною тиску

Р = k ⋅ С,

де k – константа, що залежить від хімічної природи та фізичного стану адсорбенту та адсорбованої речовини.

Часто залежність адсорбції від концентрації виражають емпіричним рівнянням Фрейндліха

 

[TEX]\frac{x}{m} =a=\beta \cdot C^{1/n} [/TEX](2)  

 

де X – кількість розчиненої речовини, адсорбована масою (m) адсорбенту, яка перебуває в адсорбційній рівновазі; β, n – константи, причому

n<1.

Для зручності користування рівняння Фрейндліха логарифмують:

lg x/m= lgβ+1/nlgC(3)  

•  
•  

Одержане рівняння є рівнянням прямої лінії (рис.2). На осі ординат відкладають величину lg a, а на осі абсцис – lg C. Тоді відрізок, що відсікає   пряма на осі ординат, дає величину lg β, а тангенс кута нахилу до осі абсцис дає величину 1/n.

 

Рисунок 2.  Ізотерма адсорбції Фрейндліха в логаріфмічних координатах

 

 

Адсорбція широко застосовується для очистки повітря від шкідливих газів, в протигазах; для очистки рідин від сторонніх домішок.

 

Експериментальна частина

Матеріали і реактиви: активоване вугілля, фільтрувальний папір, лійки для фільтрування, колби об′ємом 50 см³, бюретки, конічні колби, піпетки, мірна колба місткістю 1000 см³, 0,1 н розчин їдкого натру, спиртовий розчин фенолфталеїну, 2 н розчин СН₃СООН.

 

Хід визначення

 

1. Приготування розчинів різної концентрацїї.

В чотири пронумеровані колби вносять по 50 см³ дистильованої води. В першу колбу доливають 50 см³ 2 н розчину СН₃СООН, перемішують. Потім відбирають з неї 50 см³ розчину і переносять в другу колбу, перемішують. Із другої колби відбирають 50 см³ розчину і переносять в третю, перемішують, а потім із третьої знову відбирають 50 см³ розчину і переносять в четверту, перемішують, відбирають 50 см³ розчину і виливають. Отримали серію розчинів, концентрації яких вдвічі менші, ніж концентрації попередніх розчинів.

2. Уточнення концентрації приготовлених розчинів методом титрування

Визначають точну концентрацію оцтової кислоти в кожній із колб. Для цього відбирають піпеткою 2 см³ розчину оцтової кислоти і титрують 0,1 н розчином NaOH за фенолфталеїном. Концентрацію оцтової кислоти Ск розраховують за формулою

[TEX]С_{к} =\frac{V_{л} С_{л} }{V_{к} }  [/TEX](4)  

де V_л С_л - об'єм і концентрація лугу, що пішов на титрування , V_к -  об'єм кислоти = 2 мл. Значення Ск - записують в таблицю 1 в графу С₀

3. Адсорбція оцтової кислоти на активованому вугіллі

До всіх чотирьох колб додають по одному граму активованого вугілля і залишають на 40 хв, періодично струшуючи.

 

 1                   2                    3                    4

Готують чотири чисті колби з лійками та сухими фільтрами. Через 40 хв від початку адсорбції фільтрують усі 4 розчини. Перші мілілітри фільтрату відкидають. А решту фільтрату аналізують на вміст кислоти С_і. 

4. Визначення концентрації кислоти після адсорбції титруванням

Визначають рівноважні концентрації оцтової кислоти. Для цього відбирають по 2 мл фільтрату із кожної колби і титрують окремо 0,1 н NaOH за фенолфталеїном. Розраховують концентрації оцтової кислоти (С_і)  за формулою  (4) і результати заносять до таблиці 1.

Число молей поглинутої кислоти (Х) визначають за формулою

Х = (С0 – Сі) V.

5. Показник адсорбції, ізотерми адсорбції, константи Фрейндліха

На основі одержаних даних будують ізотерми адсорбції Фрейндліха в звичайному (рис.1) вигляді.

Для ізотерми адсорбції в логаріфмічномку вигляді  знаходять логаріфм показник адсорбції х/m, та логаріфм рівноважної концентрації кислоти в розчині після адсорбції (рис.2). Будують графік і знаходять і записують рівняння лінії тренда то графіку lgx/m= f(lgC_i). По ній визначають константи в рівнянні Фрейндліха.

Записують рівняння Фрейндліха для адсорбції оцтової кислоти на активованому вугіллі з використанням знайдених констант К і 1/n .

Результати заносять до таблиці 1.   

Запис даних дослідів

Таблиця 1 Данні для розрахунку коефіцієнтів у рівняння Фрейндліха та побудові ізотерми адсорбції в звичайному та логарифмічному вигляді.

Номер колби	С0, моль/л	Сі, моль/л	Х, моль	Х/m, моль/кг	lgCi	X lg----- m
1
2
3
4

 

Приклад оформлення графіків 

                     

Рисунок 3. Графіки ізотерм адсорбции в звичайних координатах, і в логарифміческих координатах: (на графіку показано рівняння лінії тренда)

Результати. Висновки 

З рівняння лінії тренда визначаємо коефіцієнти в уравнении Фрейндлиха (см. Рис 3):

Коэффициент lgβ =__________

Коэффициент 1/n = _____________

 

Питання для самоперевірки

1. Адсорбційні процеси на межі поділу фаз рідина – газ. Рівняння Гібса. Вплив чинників на адсорбцію.

2. Адсорбційні процеси на межі поділу фаз рідина - тверде тіло.

3. Залежність адсорбції від концентрації (ізотерма адсорбції, рівняння Фрейндліха, рівняння Ленгмюра).

4. Адсорбція із розчинів слабких електролітів.

5. Обмінна адсорбція.

6. Визначення адсорбції оцтової кислоти на активованому вугіллі.

7. Практичне використання процесу адсорбції.

8. 50 мл розчину оцтової кислоти з концентрацією 0,1 моль/л збовтували з 5 г активованого вугілля. Адсорбент відфільтрували. На титрування 10 мл фільтрату витратилося 15 мл NaOH з концентрацією 0,05 моль/л. Визначити величину адсорбції.

9. Обчислити величину адсорбції поверхнево-активованої речовини, якщо при зміні об’ємної концентрації в розчині від 0,028 моль/л до 0,056 моль/л поверхневий натяг розчину змінився від 4,33⋅10^-2 Н/м до 2,16 ⋅ 10^-2 Н/м. Т = 293 К.