, ,
Сценарий обучающего видеоматериала: «Практикум по физической химии на ВИДЕО. Выполнение лабораторных работ по теме: адсорбция»
Начальные титры:
Пособие разработано в рамках реализации программы развития НИУ-НГУ.
Практикум по физической химии на ВИДЕО. Выполнение лабораторных работ по теме: адсорбция.
Часть 1. Лабораторные работы по теме «адсорбция» – основные понятия (презентация)
Слайд 1. С явлением адсорбции мы встречаемся повсюду: как в обычной жизни, так и в ряде важнейших промышленных процессов. Адсорбция – это концентрирование вещества у поверхности раздела двух фаз (твердая фаза – жидкость, конденсированная фаза – газ) вследствие неcкомпенсированности сил межмолекулярного взаимодействия на границе раздела этих фаз. Понижение избыточной поверхностной энергии системы достигается за счёт образования новых связей между адсорбентом и адсорбтивом.
Слайд 2. Адсорбенты активно использовались людьми с древнейших времен для очистки воды, разделения различных смесей, обработки ран. И по сей день адсорбенты занимают весьма важное место в медицине. Об этом знает каждый, кто хоть раз испытывал пищевое отравление. Несмотря на то, что первые сведения об использовании адсорбентов относятся к временам древнего Египта, подробное описание явление адсорбции получило только в 1775 г.
Слайд 3. Человеком, подробно исследовавшим адсорбцию из жидкой фазы, был российский химик Товий Егорович Ловиц. Он наблюдал обесцвечивание растворов органических соединений при добавлении активированного угля. По мнению ряда историков это было первое фундаментальное открытие русской химии. Ловиц предложил использовать активированный уголь для очистки воды, спирта, ряда фармацевтических препаратов.
Слайд 4. Рассмотрим подробнее взаимодействия, которые являются причиной адсорбции. Это могут быть либо Ван-дер-ваальсовы взаимодействия, либо образование полноценных химических связей. В первом случае мы имеем дело с физической адсорбцией, во втором – с хемосорбцией.
Слайд 5. Чем отличаются друг от друга данные процессы? На рисунке зависимость потенциала взаимодействия от расстояния между молекулой адсорбтива и поверхностью адсорбента. Для физадсорбции характерна менее глубокая потенциальная яма и большее расстояние между молекулой адсорбата и поверхностью сорбента. Именно поэтому при физадсорбции молекулы адсорбата сохраняют свою индивидуальность и десорбируются, не претерпев изменений. Теплота физадсорбции по порядку величины близка к теплоте конденсации пара в жидкость. При увеличении температуры величина физадсорбции уменьшается. При хемосорбции более глубокая потенциальная яма обуславливает большую теплоту адсорбции. Для хемосорбции также характерна более сложная зависимость от температуры. Для перехода от физадсорбции к хемосорбции необходимо преодолеть энергетический барьер.
Слайд 6. Рассмотрим конкретные примеры использования хемосорбентов и физадсорбентов. Для физадсорбции характерна неспецифичность. Материалы, демонстрирующие именно этот вид адсорбции, были использованы Николаем Дмитриевичем Зелинским для создания универсальных противогазов во время первой мировой войны. Хемосорбенты не подошли бы для этой цели, ведь заранее неизвестно какое отравляющее вещество будет применяться противником. Нужны были универсальные поглотители. Ими стали активированные угли. Благодаря работе ученых и инженеров в самые короткие сроки было организовано производство новых средств защиты, спасших огромное количество жизней людей и животных.
Слайд 7. Хемосорбенты применяются для специфического связывания определенных соединений. Наряду с физадсорбентами широко применяются в медицине. Например, при очистке крови.
Слайд 8. Следующий вопрос – это организация адсорбата на поверхности сорбента. Адсорбция подразделяется на монослойную и полислойную.
Слайд 9. Простейшее уравнение изотермы адсорбции называется изотермой Генри. Оно применимо при небольшом заполнении поверхности и малых давлениях. Эмпирически было замечено, что при малых давлениях величина сорбции пропорциональна величине давления адсорбтива.
Слайд 10. Более сложную модель, описывающую монослойную адсорбцию во всём диапазоне давлений, предложил Ирвинг Лэнгмэр. Модель Лэнгмюра была получена в соответствии с двумя допущениями: первое – молекулы адсорбата между собой не взаимодействуют, второе – поверхность сорбента энергетически однородна, то есть все посадочные площадки эквивалентны между собой. В 1932 году Лэнгмюр получил Нобелевскую премию за открытия и исследования в области химии поверхностных явлений. Воспроизведём его рассуждения.
Слайд 11. Представим адсорбционный процесс в виде химической реакции, где А – молекулы газа, Z – посадочные площадки на поверхности сорбента. Запишем выражение для константы реакции. Преобразуем выражение для константы, разделив числитель и знаменатель на ёмкость монослоя. Теперь можно ввести степень заполнения поверхности и выразить данную величину через известные параметры. Перед нами изотерма Лэнгмюра. Рассмотрим предельные случаи данной модели.
Слайд 12. Если произведение константы равновесия K на давление адсорбтива P много меньше единицы, то изотерма Лэнгмюра переходит в изотерму Генри и степень заполнения поверхности пропорциональна давлению газа. При больших давлениях, когда величина K*P много больше единицы, достигается полное заполнение монослоя, на изотерме наблюдается плато.
Слайд 13. Перейдём к полислойной адсорбции. На сегодняшний день одной из самых популярных является модель БЭТ. При выводе данной модели также использовался ряд допущений:
1) Поверхность энергетически однородна, энергия связи адсорбент–адсорбат одинакова на любом её участке;
2) Первые молекулы адсорбтива садятся на поверхность адсорбента, последующие могут садиться как на поверхность адсорбента, формируя первый слой, так и на молекулы адсорбата, формируя второй и т. д.;
3) Константы равновесия адсорбции во всех слоях выше первого одинаковы и равны 1/Р0, где Р0 – давление насыщенного пара адсорбтива;
4) Ёмкость монослоя одинакова для всех слоёв;
5) При Р/Р0 = 1, адсорбат конденсируется, как обычная жидкость, и число слоёв становится бесконечным.
Вывод уравнения изотермы БЭТ интересная задача, которую вам предстоит решить самостоятельно. Мы же сразу перейдем к параметрам, которые можно получить, обрабатывая данное уравнение.
Слайд 14. С помощью специальных приборов поромеров можно получить следующие характеристики пористого тела: Объём пор, удельную поверхность, распределение пор по размеру. Знание этих характеристик позволяет предсказывать эффективность работы различных адсорбентов и катализаторов.
Слайд 15. На сегодняшний день количество пористых материалов, производимых промышленностью огромно. Удельные площади поверхности для некоторых из них исчисляются тысячами квадратных метров на грамм. Чтобы лучше почувствовать порядок величины удельной поверхности пористого тела проведем небольшую оценку. Пусть для некоторого силикагеля Sуд = 400 м2/г, насыпной вес δ = 0,5 г/см3. Тогда V (занимаемый 1 г адсорбента) = 2 см3. Таким образом, в 2 мл объёма, занимаемого образцом, заключена поверхность близкая по площади к баскетбольному полю!
Слайд 16. В заключение рассмотрим основные типы изотерм адсорбции.
Первый тип – уже рассмотренная нами изотерма Лэнгмюра.
Изотермы второго и третьего типа различаются силой взаимодействия между сорбируемым веществом и сорбентом. II тип – взаимодействие адсорбат–адсорбент сильнее, чем взаимодействие адсорбат–адсорбат.
III тип – взаимодействие адсорбат–адсорбат сильнее, чем взаимодействие адсорбат–адсорбент.
Типы IV, V – петля гистерезиса свидетельствует о наличии в образцах мезопор 2 < d < 50 нм.
Тип VI – на изотерме присутствуют ступени. Возможно, в системе протекает твёрдофазная химическая реакция (образование сольватов).
Анализ изотермы сорбции позволяет получить данные о характеристиках исследуемого материала и сделать прогнозы относительно перспективности применения данного материала в том или ином промышленном процессе.
Часть 2. Лабораторная работа «Адсорбция органических кислот из водного раствора на твёрдом адсорбенте»
Заставка: Фотография «Западные Саяны, вид с пер. Птица», на её фоне начальные титры второй части, название работы.
Сцена 2-1
В кадре посуда и оборудование для выполнения работы.
Голос преподавателя:
Для проведения работы А-2 «Адсорбция органических кислот из водного раствора на твёрдом адсорбенте» необходимы:
– пористый адсорбент;
– растворы уксусной кислоты;
– бюксы;
– конические колбы для титрования;
– пипетки для отбора аликвот;
– фенолфталеин, бюретка для титрования;
– для титрования используется раствор NaOH;
– аналитические весы.
Заставка: Подготовка опыта.
Сцена 2-2. В кадре весы и бюксы.
Голос преподавателя (делает, что говорит)
Взвешиваем бюксы. Результаты заносим в таблицу.
Сцена 2-3. В кадре сушильный шкаф.
Голос преподавателя:
Адсорбент прокаливается при температуре 200 оС в течение 2 часов. Горячий образец из термошкафа достаём с помощью напальчников.
Сцена 2-4. В кадре весы и пустые бюксы, бюкс с адсорбентом.
Голос преподавателя:
В каждый бюкс помещаем по 1 грамму образца. Стараемся делать это быстро, чтобы горячий образец не успел набрать воды из воздуха. Необходимо проложить прокладку между крышкой бюкса и бюксом. Иначе при остывании крышку может заклинить. Образцы необходимо остудить в течение 15-20 мин. После этого нужно провести повторное взвешивание. Не забываем убирать бумажные прокладки. Данные заносим в таблицу. Из этих данных мы определим вес образцов.
Заставка: Начало опыта.
Сцена 2-5. В кадре – растворы уксусной кислоты, посуда.
В работе используются готовые растворы уксусной кислоты. Переливаем растворы в соответствующие колбы. Доводим до метки с помощью специальной пипетки. Переносим навески сорбента из бюксов в мерные колбы с кислотой.
Перемешиваем содержимое колб в течение получаса.
Через полчаса приступаем к титрованию.
(Бегущая строка: Если адсорбент взят в виде гранул, можно не фильтровать раствор, а осторожно отбирать пробы для титрования прямо из колб с лежащим на дне адсорбентом).
Сцена 2-6. Титрование. В кадре бюретка для титрования.
Перед титрованием необходимо сбросить раствор, находящийся в бюретке и заполнить её заново.
Если работа выполняется в качестве лабораторной, то исходные растворы кислоты уже оттитрованы лаборантом и можно сразу переходить к титрованию фильтратов. Сначала промываем пипетку исследуемым раствором. Затем отбираем аликвоту. Добавляем несколько капель индикатора, приступаем к титрованию. Титруем до получения постоянного окрашивания. Записываем количество прилитой щёлочи.
Текст: Полученные данные позволяют построить изотерму адсорбции уксусной кислоты на твёрдом адсорбенте.
Финальные титры второй части фильма.
Часть 3. Лабораторная работа «Адсорбция паров воды на твёрдом адсорбенте»
Заставка: Фотография застывшей пены – пример системы с развитой поверхностью. На её фоне текст: «Пособие разработано в рамках реализации Программы развития НИУ–НГУ». Затем название работы.
Сцена 3-1. В кадре посуда и оборудование для выполнения работы.
Голос преподавателя:
Для выполнения лабораторной работы необходимы:
– пористый адсорбент;
– пробирки Эппендорфа;
– воронка;
– эксикаторы с насыщенными растворами KBr, KCl, NaCl, Na2 Cr2 O7, CaCl2 и NaOH в которых поддерживается постоянное давление паров воды. В последнем эксикаторе находится дистиллированная вода;
– аналитические весы и сушильный шкаф.
Сцена 3-2. В кадре аналитические весы.
Голос преподавателя
Пробирки нужно заранее промаркировать. Взвешиваем пробирки Эппендорфа. Показания весов заносим в таблицу.
Сцена 3-3. В кадре сушильный шкаф, затем весы.
Голос преподавателя
Устанавливаем в термошкаф четыре стаканчика с адсорбентом. В данном случае – это активированный уголь. Сушка адсорбента осуществляется при температуре 200 оС в течение 2-х часов. Для защиты кожи рук используем специальные напальчники.
Горячий образец загружаем в пробирки Эппендорфа. Заполняем примерно 2/3 объёма. Сразу закрываем пробирку и устанавливаем её в держатель. Заполняем следующую пробирку. Примерно через 15 мин, когда образцы остынут, взвешиваем заполненные Эппендорфы. Показания заносим в таблицу.
Сцена 3-4. В кадре эксикаторы.
Голос преподавателя
Для получения изотермы адсорбции необходимо поместить наши образцы в эксикаторы. При остывании адсорбента под крышкой образуется область пониженного давления. Чтобы образец не выбросило из пробирки, необходимо открывать её очень аккуратно, предварительно постучав пальцем по крышке.
Пробирки адсорбционной серии помещаем в эксикаторы с насыщенными растворами солей. Устанавливаем в специальный держатель. При закрывании эксикатора следим, чтобы по ободу не образовалось пузырей, от этого зависит герметичность.
(Операция повторяется с 6-ю эксикаторами, ускоренная съёмка)
Пробирки десорбционной серии помещаем в эксикатор с дистиллированной водой. (ускоренная съёмка). Закрываем эксикатор, оставляем образцы на неделю.
Сцена 3-5. В кадре эксикаторы.
Через неделю извлекаем пробирки адсорбционной серии. Важно как можно быстрее закрыть Эппендорфы (ускоренная съёмка).
Извлекаем образцы десорбционной серии. Стараемся закрыть как можно быстрее. (ускоренная съёмка).
Теперь можно перейти к взвешиванию. После взвешивания одну пробирку, общую для обеих серий, открываем и помещаем в эксикатор с дистиллированной водой. Во все остальные эксикаторы помещаем по две пробирки: по одной для адсорбционной и десорбционной серий. Пробирки открываем.
Сцена 3-6. В кадре эксикаторы, затем график.
Через неделю извлекаем из эксикаторов все образцы. Пробирки сразу закрываем. Определяем количество адсорбированной воды, строим изотермы адсорбции и десорбции паров воды на угле.
Финальные титры третьей части фильма.
Конец фильма.
