Заглавная страница Избранные статьи Случайная статья Познавательные статьи Новые добавления Обратная связь КАТЕГОРИИ: АрхеологияБиология Генетика География Информатика История Логика Маркетинг Математика Менеджмент Механика Педагогика Религия Социология Технологии Физика Философия Финансы Химия Экология ТОП 10 на сайте Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрацииТехника нижней прямой подачи мяча. Франко-прусская война (причины и последствия) Организация работы процедурного кабинета Смысловое и механическое запоминание, их место и роль в усвоении знаний Коммуникативные барьеры и пути их преодоления Обработка изделий медицинского назначения многократного применения Образцы текста публицистического стиля Четыре типа изменения баланса Задачи с ответами для Всероссийской олимпиады по праву Мы поможем в написании ваших работ! ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?
Влияние общества на человека
Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации Практические работы по географии для 6 класса Организация работы процедурного кабинета Изменения в неживой природе осенью Уборка процедурного кабинета Сольфеджио. Все правила по сольфеджио Балочные системы. Определение реакций опор и моментов защемления |
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.).
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 С1 /Г1 = 0,53×109; для С2 = 0,3, С2 /Г2 = 3×109 и для С3 = 0,75, С3 /Г3 = 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.
|
|||||||||||||||||||||||||||||
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.) |