Тема 4. Поверхностные явления. Сорбция. Классификация сорбционных явлений. Механизмы процессов сорбции. 


Мы поможем в написании ваших работ!



ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?

Тема 4. Поверхностные явления. Сорбция. Классификация сорбционных явлений. Механизмы процессов сорбции.



 

Адсорбцией называется самопроизвольное изменение концентрации компонента в поверхностном слое по сравнению с его концентрацией в объёме фазы. Более плотную фазу (определяющую форму поверхности) принято называть адсорбентом, вещество, молекулы которого могут адсорбироваться - адсорбтивом, уже адсорбированное вещество – адсорбатом. Процесс, обратный адсорбции, называют десорбцией.

Пример 1. Определение активности катализатора.

Промышленная установка, работающая на ванадиевом катализаторе (V5O5), производит в сутки 30000 кг моногидрата H2SO4. Объём катализатора в установке 0,7 м3. Подсчитайте активность катализатора.

Решение:

Мерой активности катализатора является изменение скорости химической реакции в результате введения в систему катализатора. Количественно активность катализатора оценивается производительностью катализатора (Ак). Под производительностью катализатора подразумевают количество вещества, получающееся в единицу времени с единицы площади поверхности (Sk), массы (mk) или объёма (Vk) катализатора. Производительность катализатора (Ак) равна                                          Ак= ,

где m – масса получаемого вещества; τ – время протекания процесса.

Для определения производительности катализатора выразим время в часах:

Ак =  кг/(м3·ч).

Таким образом, активность ванадиевого катализатора при получении моногидрата H2SO4 равна 1785,7 кг/(м3·ч).

Пример 2. Определение количества вещества, поглощаемого адсорбентом. Определите, сколько молекул фосгена С(О)Cl2 может поглотиться 0,35 м2 площади поверхности угля С, если 10-3 кг угля С может адсорбировать 0,520 л фосгена С(О)Cl2? Активная площадь поверхности активированного древесного угля достигает 1500 м2 на 10-3 кг угля.

Решение:

Определяем число молекул, которые содержатся в 0,440 л фосгена С(О)Cl2. Один моль любого газа при н.у. занимает объём, равный 22,4 л, и содержит 6,02×1023 молекул:

     22,4 л газа – 6,02×1023 молекул

      0,52 л   –     х                  х =  молекул.                               

    Следовательно, 1500 м3 площади поверхности угля (10-3 кг) поглощают 0,118×1023 молекул фосгена С(О)Cl2. Определяем число молекул, которое поглощается 0,35 м2 площади поверхности угля С:

      1500 м2 угля – 0,139×1023 молекул

      0,35          –        у           у =  молекул               

0,35 м2 площади поверхности угля  С поглотит 3,24×1018 молекул фосгена.

     Ответ: 3,24×1018 молекул фосгена С(О)Cl2.

Пример 3. Вычисление теплоты адсорбции.

Теплотой адсорбции называют количество теплоты, выделяемое при поглощении 1 моль вещества поверхностью адсорбента.

Рассчитайте теплоту адсорбции на мелкораздробленном железе Fe 54,7×10-3 кг аммиака NH3, если при поглощении аммиака NH3 мелко раздробленным железом Fe выделяется 190,8 кДж теплоты.

Решение:

Мольная масса аммиака составляет М(NH3) = 17 г/моль. Для определения теплоты адсорбции составляем пропорцию:

при поглощении 54,7×10-3 кг NH3   – 190,8 кДж

                17×10-3 кг/моль NH3    –   х  х =  кДж/моль                                      

Теплота адсорбции аммиака NH3 на мелкораздробленном железе Fe равна 59,3 кДж/моль.                                                        Ответ: 59,3 кДж/моль.

 

Пример 4. Определение массовой доли газообразного вещества по коэффициенту абсорбции газа. Растворимость газов, содержащихся в 1 м3 воды при давлении 1,0544×105 Па, выраженную в кубических метрах газа, и называют коэффициентом абсорбции. Растворимость газа зависит от давления, под которым находится газ, и от температуры. Зависимость растворимости газа от давления выражается законами Генри-Дальтона:

1. Масса газа, растворяющегося в данном объёме жидкости, пропорциональна давлению газа на жидкость.

2. Объём газа, растворяющегося в данном объеме жидкости, не зависит от давления.

Вычислите массовую долю (%) аммиака NH3 в растворе, если  коэффициент абсорбции аммиака NH3 при 00 С и Р = 1,0544×105 Па равен 1350.

Решение:

Определяем массу 1350 м3 (1,35×106 л) аммиака, которые содержатся в 1 м3 воды. Мольная масса аммиака составляет М(NH3) = 17,03г/моль:

                    m (NH3) =  кг

Масса 1 м3 воды составляет 1000 кг, следовательно, в 2026,36 кг раствора содержится 1026,36 кг аммиака NH3. Тогда в 100 кг раствора содержится аммиака:      кг NH3.                         

Массовая доля аммиака NH3 в полученном растворе 50,65%. Ответ: 50,65 %.

 

Пример 5.

Опытным путем получены следующие результаты для адсорбции аргона Ar на коксовом угле при –78,30С

р, мм рт. cт.    26 95,3 220

а, мг/г.                6 16,5 26

Определите постоянные в уравнении Ленгмюра.

Решение:

 как следует из уравнения , является угловым коэффициентом прямой, изображающей зависимость между  и р, а  - отрезком, отсекаемым этой прямой на оси ординат. Вычисляем величины .

р, мм рт. ст.   26 95,3 220

                   4,3     5,78 8,46

    По данным строим график (рис. 4.1), отложив на оси абсцисс р, а на оси ординат .

 

 


Рис. 4.1.

Как видно из графика,  .         Отсюда Z = 50,                 

Следовательно, .                                   Ответ: 4,3; 0,0047.

        

Пример 6. При 240С поверхностное натяжение 0,3 М раствора лауриновой кислоты CH3-(CH2)10-COOH равно 65,3 дин/см, поверхностное натяжение воды равно 75,3 дин/см. Определить адсорбцию лауриновой кислоты CH3-(CH2)10-COOH на поверхности раствора.

Решение:

Для расчета используем уравнение:  а = –

                       

Производную  заменим на отношение  

Так как по условию дано только два значения поверхностного натяжения получим:                                      

Для газовой постоянной следует выбрать 8,315×107 эрг/град × моль.

После подстановки имеем: а =  моль/см2.

                                 Ответ: 4,16×1010 моль/см2.

Пример 7. При насыщении 1,5 г угля адсорбирует 0,0015 моль уксусной кислоты CH3COOH. Плотность безводной уксусной кислоты CH3COOH равна 1,0553 г/см3. Определите активную поверхность угля в м2/г.

Решение:

Примем, что при насыщении уксусная кислота CH3COOH покрывает всю поверхность адсорбента мономолекулярным слоем. Зная молекулярный вес уксусной кислоты CH3COOH и её плотность, определим поверхность, занимаемую одной молекулой:

Объём 1 моль уксусной кислоты CH3COOH см3                                             

объём, занимаемый одной молекулой уксусной кислоты CH3COOH,

                                      см3,

поверхность, занимаемая одной молекулой уксусной кислоты CH3COOH,

                                   (9,448×10-23) 2/3 = 2,074×10-15 см3

    Поверхность, занимаемая всеми молекулами уксусной кислоты CH3COOH, содержащимися в 0,001 моль кислоты, будет равна:

                        2,074×10-15 × 6,02×1020 = 1,248×106 см2 = 124,8 м2.

    Эта величина и будет активной поверхностью 1,5 г угля.

    Ответ: 124,8 м2.

Пример 8. При исследовании поверхностной активности растворов уксусной кислоты CH3COOH при 150С были получены следующие результаты:

Концентрация кислоты, моль/л             0,00  0,01 0,1  0,5   1,0

Поверхностное натяжение, дин/см    70,15 68,35 64,43 58,78 54,55

Найти значения величин адсорбции и площади, занимаемой одной молекулой уксусной кислоты CH3COOH при разных концентрациях.   

Решение:

1 вариант. Для решения воспользуемся уравнением . Находим среднее значение С, а также DС, Ds и Ds/DС (см. табл.).

 

Ссредн Ds Ds/DС
0,01 – 0,00 = 0,01 68,35 – 70,15 = –1,8
0,1 – 0,001 = 0,09 64,43 – 68,35 = –3,92
0,5 – 0,1 = 0,4 58,78 – 64,43 = –5,65
1,0 – 0,5 = 0,5 54,55 – 58,78 = –4,23

    Вычисляем величины адсорбции по уравнению :

 моль/см2;

 моль/см2;

моль/см2;

 моль/см2.

Площади, занимаемые одной молекулой уксусной кислоты при данной концентрации вычисляем по уравнению S¥ = :

 см2;      см2;

 см2;               см2.

    2 вариант. Для ряда концентраций строим график зависимости s от С (рис. 4.2.). Восстанавливаем перпендикуляры от выбранных произвольно концентраций на оси абсцисс до пересечения с кривой и через точки пересечения проводим прямые параллельно оси абсцисс до пересечения с осью ординат. Для каждой концентрации на оси ординат находим отрезки Z и по уравнению Г =  рассчитываем значения Г, соответствующие данным концентрациям.

 Рис. 4.2.

На основании значений Г, полученных по первому и второму вариантам, строим график зависимости Г = f (С). Из последнего графика можно найти также значение предельной адсорбции Г¥, являющейся пределом к которому стремится Г. Однако удобнее для этой цели воспользоваться уравнением ; находим соотношения С/Г и строим график зависимости С/Г от С. Для трёх концентраций графически находим: для С1 = 0,1 и С11 = 0,53×109; для С2 = 0,3, С22 = 3×109 и для С3 = 0,75, С3 3 = 3,15×109. При построении получаем прямую, ctg угла наклона которой, к оси абсцисс даст нам значения Г¥. В данном случае длина прилежащего катета соответствует 0,85 моля. А противолежащего 1,4×109 см2, соотношение дает величину предельной адсорбции Г¥ = 0,85: 1,4×109 = 6×10-10 моль/см2.

Площадь, занимаемая одной молекулой в состоянии насыщения, по уравнению S¥ = будет равна:  см2

Толщина адсорбционного слоя вычисляется по формуле d = :

                 см,

где 60 – молекулярная масса уксусной кислоты; 1,05 – ее плотность при 150С.

 

Задачи для самостоятельного решения

 

241. Один грамм силикагеля имеет активную площадь поверхности, равную 465 м2. Сколько молекул брома поглощается 1 м2 площади поверхности адсорбента, если 10 г силикагеля могут адсорбировать 5×10-6 кг брома?       Ответ: 4,05×1015

242. Площадь поверхности 10-6 м3 активированного угля равна 1600 м2. Какой объём аммиака могут адсорбировать 25×10-6 м3 активированного угля, если принять, что вся поверхность полностью покрыта мономолекулярным слоем аммиака? Условно можно считать, что поперечное сечение молекулы NH3 представляет собой квадрат с длиной стороны 2×10-10м и что при полном заполнении поверхности соседние молекулы касаются друг друга.    Ответ: 37,2 л

243. Теплота адсорбции аммиака на мелко раздробленной меди равна 29,3 кДж/моль. Какой объём аммиака поглотиться медью, если при этом выделилось 158,6 кДж теплоты?                                                             Ответ:121,3 л

244. Активная площадь поверхности активированного угля достигает 1000 м2 на 1 г угля. Сколько молекул фосгена поглощается 5 м2 площади поверхности угля, если адсорбционная способность угля составляет для фосгена COCI2 0,440 л газа на 1 г угля?                                                    Ответ: 0,59×1020

245. При адсорбции аммиака мелко раздробленным никелем выделяется 46кДж/моль теплоты. Сколько теплоты выделяется, если никелем поглотится 2,8 г аммиака?                                                          Ответ: 5,75 кДж

246. При адсорбции 2,8 г кислорода активированным углем при 68 К выделяется 1,36 кДж теплоты. Вычислите теплоту адсорбции кислорода на угле.

 Ответ: 15,54 кДж/моль

247. При окислении NH3 на платиновом катализаторе было получено в течении суток 1440 кг HNO3. Для окисления было использовано 0,064 кг катализатора. Рассчитайте активность катализатора.                        Ответ: 937,5 кг/(кг·ч)

248. За 12 ч было синтезировано 45000 кг NH3. Объём использованного катализатора 1,2 м3. Определите производительность катализатора.

Ответ: 3125 кг/(м3·ч)

249. Найдите объём катализатора для синтеза NH3, если производительность установки 5000 м3 аммиака в час. Производительность используемого катализатора 2000 кг/(м3·ч).                                                                 Ответ: 1,9 м3

250. Определите, сколько молекул фосгена С(О)Cl2 может поглотится 0,35 м2 площади поверхности угля С, если 10-3 кг угля С может адсорбировать 0,440 л фосгена С(О)Cl2? Активная площадь поверхности активированного древесного угля достигает 1000 м2 на 10-3 кг угля.

251. Опытным путем получены следующие результаты для адсорбции аргона Ar на коксовом угле при –80,50С

р, мм рт. cт.    21 96,4 216

 а, мг/г.                4 14,4 23

Определите постоянные в уравнении Ленгмюра.

252. При 220 С поверхностное натяжение 0,1 М раствора лауриновой кислоты CH3-(CH2)10-COOH равно 62 дин/см, поверхностное натяжение воды равно 72,2 дин/см. Определить адсорбцию лауриновой кислоты CH3-(CH2)10-COOH на поверхности раствора.

251. При насыщении 1,1 г угля адсорбирует 0,0011 моль уксусной кислоты CH3COOH. Плотность безводной уксусной кислоты CH3COOH равна 1,0553 г/см3. Определите активную поверхность угля в м2/г.

254. Определите графически константы β и  в уравнении Фрейндлиха на основании опытных данных, полученных при изучении адсорбции бензойной кислоты C6H5COOH углем из раствора её в бензоле С6Н6 при 250С

   с (ммоль/см3) 0,0062   0,0251   0,0531   0,1181

   (ммоль/г)   0,442     0,781      1,042    1,442

255. При 200С были получены следующие величины поверхностного натяжения водных растворов пропионовой кислоты C2H5COOH

Концентрация, моль/л                       0,12   0,2381       0,953      2,01

Поверхностное натяжение, дин/см 65,51    60,02        45,67     38,76

   Постройте на основании этих данных графики s = f (С) и Г = f (С),  и определите  и Г¥; вычислите площадь поверхности адсорбента (см2), занимаемую одной молекулой адсорбтива.

256. Постройте изотерму адсорбции и вычислите графически значение адсорбции для раствора капроновой кислоты C5H11COOH при температуре 00С  по следующим данным:

Концентрация раствора, моль/л        0,0051   0,012   0,022       0,031

Поверхностное натяжение, дин/см   65,831 60,052    53,02      48,03

257. При достижении равновесия в процессе адсорбции уксусной кислоты CH3COOH из водного раствора древесным углём были получены следующие данные:

Начальная концентрация, моль/л 0,366 0,842       1,451    2,063 3,505

Равновесная концентрация, моль/л 0,186 0,232  0,253  0,285   0,321

   Проверьте согласование полученных результатов с уравнением Фрейндлиха.

258. Получены следующие данные в процессе изучении адсорбции оксида углерода (II) СО на угле:

Давление, мм рт. ст.       7,32    30,43   54,02        88,21

Адсорбция, см3/г           2,341 7,842   11,91    16,53

  На основании этих данных графическим путём определите константы в уравнении Фрейндлиха.

259. Получены следующие данные в процессе изучении адсорбции пропионовой кислоты C2H5COOH на угле:

Начальная концентрация, моль/л       0,0302 0,1203        0,4602 0,661

Равновесная концентрация, моль/л  0,0042 0,0613   0,371       0,5407 

На основании этих данных графическим путём определите константы в уравнении Фрейндлиха.

260. При температуре 00С  получены следующие данные в процессе изучении адсорбции оксида углерода (II) СО на угле:

Давление, мм рт. ст.        7,325    30,44     54,03          88,215

Адсорбция, см3/г             2,342    7,844   11,915    16,535

  На основании этих данных графическим путём определите константы в уравнении Фрейндлиха.

261. Опытным путем получены следующие результаты для адсорбции аргона Ar на коксовом угле при –78,30С

р, мм рт. cт.    24 98,4 218

 а, мг/г.                5 15,4 24

Определите постоянные в уравнении Ленгмюра.

262. Определите графически константы β и  в уравнении Фрейндлиха на основании опытных данных, полученных при изучении адсорбции бензойной кислоты C6H5COOH углем из раствора её в бензоле С6Н6 при 350С

   с (ммоль/см3)  0,0072   0,0261   0,0541   0,1281

   (ммоль/г)   0,452     0,791      1,052    1,462

263. При 250С были получены следующие величины поверхностного натяжения водных растворов пропионовой кислоты C2H5COOH

Концентрация, моль/л                          0,14   0,2385       0,956      2,015

Поверхностное натяжение, дин/см 65,54    60,025         45,68        38,78

   Постройте на основании этих данных графики s = f (С) и Г = f (С),  и определите  и Г¥; вычислите площадь поверхности адсорбента (см2), занимаемую одной молекулой адсорбтива.

264. Постройте изотерму адсорбции по следующим данным и вычислите графически значения адсорбции для раствора капроновой кислоты C5H11COOH при температуре 50С

Концентрация раствора, моль/л            0,0055  0,014         0,023      0,034

Поверхностное натяжение, дин/см   65,835   60,054    53,04     48,06

265. Получены следующие данные в процессе изучении адсорбции неона Ne на угле:

Давление, мм рт. ст.       8,3    40,4  65,02       988,2

Адсорбция, см3/г          32,34 9,84   21,9    26,5

  На основании этих данных графическим путём определите константы в уравнении Фрейндлиха.

266. Получены следующие данные в процессе изучении адсорбции оксида азота (II) NО на угле:

Давление, мм рт. ст.       6,3  25,43   44,0        78,2

Адсорбция, см3/г             2,5       6,84    10,9    14,5

  На основании этих данных графическим путём определите константы в уравнении Фрейндлиха.

267. Получены следующие данные в процессе изучении адсорбции криптона Kr на угле:

Давление, мм рт. ст.        7,72  28,43    52,02         86,21

Адсорбция, см3/г              2,44      7,44     11,21    15,53

  На основании этих данных графическим путём определите константы в уравнении Фрейндлиха.



Поделиться:


Последнее изменение этой страницы: 2019-05-20; просмотров: 1935; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы!

infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 44.200.237.112 (0.089 с.)