Адсорбция уксусной кислоты на поверхности активированного угля

Явление поглощения одним веществом других веществ называется сорбцией. Сорбция в толще поглотителя называется абсорбцией. 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.

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)

(8.1),

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. Изотерма адсорбции Лэнгмюра представлена на рис. 8.1.

Рис. 8.1. Изотерма адсорбции Лэнгмюра.

 

В некотором интервале концентраций, для не слишком разбавленных, но и не очень концентрированных растворов, адсорбция может быть описана эмпирическим уравнением Фрейндлиха:

(8.2),

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. 8.2), обычно имеет значения от 0,1 до 0,6.

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 (8.2), тогда оно примет вид:

(8.3).

Полученное уравнение есть уравнение прямой линии (рис.8.3). 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. Если через колонку, заполненную адсорбентом, пропускать раствор, содержащий вещества, различающиеся по адсорбируемости, а затем чистый растворитель, то в верхней части колонки будут задерживаться молекулы сильно адсорбируемого вещества, а слабо адсорбируемое будет вымываться растворителем в нижние слои. Таким образом, происходит разделение компонентов исходной смеси. Хроматографические методы анализа находят широкое применение в медико-биологических исследованиях и клинической практике. Примером может служить анализ крови на присутствие в ней алкоголя, наркотиков, летучих веществ, вызывающих токсикоманию и др.

В организме часто наблюдаются явления избирательной сорбции токсинов и других веществ различными тканями и клетками. Так, например, токсины возбудителей столбняка, ботулизма и другие поражают прежде всего клетки центральной нервной системы, при сыпном тифе поражаются преимущественно сосуды кожи, мозга и отчасти сердца.

В медицинской практике известна и так называемая адсорбционная терапия. Она заключается во введении больному адсорбентов для поглощения вредных веществ. Так часто применяют активированный уголь (карболен) для связывания ядов, токсинов, попавших в желудочно-кишечный тракт.

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.

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

· Уксусная кислота СН₃СООН, растворы с концентрациями 0,12 М, 0,05 М, 0,2 М.

· Гидроксид натрия NаОН, раствор 0,1 н.

· Фенолфталеина (индикатор), раствор.

 

Оборудование и посуда:

· Шесть конических колб на 50 мл.

· Бюретка на 50 или 25 мл.

· Измерительный цилиндр.

· Пипетки на 50 мл и 10 мл.

· Три воронки для фильтрования.

· Фильтровальная бумага.

Выполнение работы.

1. 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.

2. В каждую колбу добавляют по 1 г предварительно растертого в ступке активированного угля (по четыре таблетки). Тщательно взбалтывают все колбы в течение 10 минут.

3. Отфильтровывают содержимое каждой колбы через бумажные фильтры в чистые пронумерованные колбы (№1’, №2^’, №3^’). Использованные колбы №1, №2, №3 моют, споласкивают дистиллированной водой.

4. В них отбирают пипеткой пробы из фильтратов: из колб №1’и №2^’ по 50 мл, из колбы №3^’ – 10 мл.

5. Пробы титруют 0,1 н раствором NаОН в присутствии фенолфталеина до бледно-розовой окраски для определения концентрации уксусной кислоты после адсорбции.

Обработка результатов.

1. 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.

2. Для всех трех проб рассчитывают значения х = (С_о – С)∙ 0,1 (моль).

3. Далее расчитывают величину адсорбции (моль/г), где m - масса угля, взятого для адсорбции.

4. Результаты заносят в таблицу.

№ колбы	Со	С	х =(Со – С)∙ 0,1	lg C	lg (^x/m)
1.
2.
3.

5. Строят изотерму адсорбции. Для этого результаты наносят на график, откладывая по оси абсцисс значения С (моль/л), а по оси ординат – значения х/т (моль/г).

6. Для графического определения значений а и п в уравнении Фрейндлиха строят график зависимости lg (^x/_m) от lg C. Полученные точки должны лежать на прямой. Рассчитывают величину тангенса угла наклона прямой к оси абцисс. что дает величину п. Расстояние точки пересечения прямой с осью ординат от начала координат соответствует значению величины lg а.

Контрольные вопросы.

1. Какие явления называют сорбцией?

2. В чем заключается разница между адсорбцией и абсорбцией, физической адсорбцией и хемосорцией?

3. От каких факторов зависит адсорбция?

4. Какие уравнения описывают адсорбцию?

5. Какое значение имеют явления адсорбции для медицины?

Рис. 8.2. Изотерма адсорбции Фрейндлиха

Рис. 8.3. Логарифмическая изотерма адсорбции Фрейндлиха

РАБОТА 9