Из водных растворов на активированном угле

Цель работы: Формирование навыков экспериментального изучения явления адсорбции на границе раствор – твердое тело, получение изотермы адсорбции, расчет геометрических и термодинамических характеристик.

Теоретическая часть

Адсорбция представляет собой процесс самопроизвольного перераспределения компонентов системы между поверхностным слоем и объемной фазой. Более плотная фаза (вещество, на поверхности которого происходит адсорбция) называется адсорбентом. Адсорбент может быть твердым и жидким. Вещество, которое перераспределяется и поэтому находится обычно в газообразной или жидкой фазе, называется адсорбатом.

В зависимости от агрегатного состояния смежных фаз различают адсорбцию газов на твердых адсорбентах, адсорбцию растворенных веществ на границах твердое тело жидкость и жидкость – жидкость, а также адсорбцию на границе жидкий раствор – газ.

Для количественного описания адсорбции применяют в основном две величины. Первая измеряется числом моль или граммов, приходящихся на единицу поверхности или на единицу массы адсорбента (для порошкообразного состояния); ее принято обозначать буквой А. Вторая характеристика величины адсорбции определяется избытком вещества в поверхностном слое по сравнению с его количеством в таком же объеме фазы, также отнесенным к единице площади поверхности или единице массы

адсорбента. Эту величину называют гиббсовской адсорбцией и обозначают буквой Г.

Величина адсорбции зависит от природы адсорбента и адсорбата, а также от концентрации (давления) адсорбата и температуры.

Зависимость величины адсорбции от концентрации (или парциального давления) вещества при постоянной температуре называется изотермой:

А = .

Зависимость величины адсорбции от температуры при постоянной концентрации (или парциальном давлении) вещества называется изопикной (изобарой):

А = .

Зависимость концентрации (или парциального давления) вещества в объеме от температуры при постоянной величине адсорбции называется изостерой:

С = или Р = .

Наиболее распространенной зависимостью, получаемой экспериментально, является изотерма. Другие две зависимости можно графически построить из серии изотерм, полученных при различных температурах. На рис. I показано, что точки пересечения изотерм прямой, параллельной оси ординат соответствуют изопикне, а при пересечении изотерм прямой, параллельной оси абсцисс, получаются точки изостеры. По полученным точкам строят зависимости величины адсорбции (изопикна) или концентрации (изостера) от температуры.

Рис. 1 Построение изостер и изопикн по изотермам.

С термодинамической точки зрения адсорбция является самопроизвольным процессом выравнивания химических потенциалов веществ в объеме системы и межфазном (поверхностном) слое. Этот процесс происходит вследствие стремления к минимуму поверхностной энергии или энергии Гиббса всей системы.

Адсорбцию можно рассматривать как взаимодействие молекул адсорбата с активными центрами поверхности адсорбента. Такое рассмотрение удобно для адсорбции на твердых адсорбентах. Поверхность твердых тел как правило геометрически и химически неоднородна, и чтобы получить простейшие закономерности адсорбции, необходимо предположить, что поверхность адсорбента однородна и распределение адсорбата происходит в мономолекулярном слое. Тогда при малых концентрациях адсорбента изотерма адсорбции описывается законом Генри:

А = К_гС или А = К_гР.

При средних и больших концентрациях адсорбата возникают отклонения от закона Генри, связанные с ограниченностью адсорбционного объема или поверхности адсорбента, приводящей к адсорбционному насыщению поверхности адсорбента по мере увеличения концентрации адсорбата.

Уравнение изотермы адсорбции, полученное Ленгмюром, описывает все области концентраций (парциальных давлений) адсорбата (рис.2):

А = или А = .

где - емкость адсорбционного монослоя или число адсорбционных центров, приходящихся на единицу поверхности или на единицу массы адсорбента; К – константа адсорбционного равновесия, характеризует энергию взаимодействия адсорбата с адсорбентом.

Экспериментальные результаты по определению изотермы адсорбции обычно обрабатывают с помощью уравнения Ленгмюра, записанного в линейной форме:

.

Такая линейная зависимость позволяет графически определить оба постоянных параметра адсорбционной изотермы (рис.3).

 

Рис.2 Изотерма адсорбции Ленгмюра

 

Рис.3 Изотерма адсорбции в координатах линейной формы уравнения Ленгмюра.

 

В области средних концентраций (парциальных давлений) изотерма адсорбции Ленгмюра подчиняется закономерности, найденной эмпирически Фрейндлихом:

А = КР^1/n и A = KC^1/n.

где К и 1/n – постоянные.

Уравнение Фрейндлиха широко используется при обработке экспериментальных адсорбционных данных и инженерных расчетах. Чаще всего оно применяется в логарифмической форме, позволяющий построить линейную зависимость lnA = f (ln C) и графически определить оба постоянных параметра К и n (рис.4):

lnA = ln K + ln C.

Рис. 4. Изотерма адсорбции в координатах линейной формы уравнения Фрейндлиха.

 

Уравнение Ленгмюра используется для определения удельной поверхности адсорбентов, катализаторов и других дисперсных систем. Удельная поверхность S_уд. связана с емкостью монослоя соотношением:

S_уд. = N_AS₀,

где N_A – число Авогадро; S₀ –площадь, занимаемая одной молекулой адсорбанта в насыщенном адсорбционном слое.

Стандартная энергия Гиббса адсорбции связана с константой равновесия адсорбции из уравнения Ленгмюра соотношением: ΔG⁰ = - RTlnK.

Экспериментальная часть

Приборы и реактивы: Весы технические; колбы конические, емкостью 100 мл; пипетки Мора, емкостью 10, 20, 50 мл; уголь активированный; воронки и фильтры; бюретка, емкостью 25 мл; раствор уксусной кислоты 0,1 н; стандартный раствор едкого натрия 0,1 н; раствор фенолфталеина.

Порядок выполнения работы

Определяют концентрацию исходного раствора уксусной кислоты посредством титрования стандартным раствором едкого натрия в присутствии фенолфталеина.

Результаты титрования записывают в таблицу 1.

Таблица 1.

N п/п	Объем кислоты, взятой для титрования, мл (Vк)	Объем щелочи, пошедшей на титрование, мл	Средний объем щелочи, мл (Vщ)

 

Из исходного раствора кислоты готовят 5 водных растворов в соответствии с данными таблицы 2:

Таблица 2

Номер колбы	Объем исходного раствора кислоты, мл	Объем добавляемой воды, мл

 

Кислоту и воду необходимо отбирать пипетками. Берут 5 навесок предварительно измельченного активированного угля по 1 г. В растворы кислоты вносят навески адсорбента и встряхивают в течении 10 минут. Затем растворы отфильтровывают, отбирают аликвоты по 10 мл и титруют стандартным раствором щелочи. Данные заносят в таблицу 3.

Таблица 3