Тема: Поверхностные явления. Адсорбция

Домашняя работа №1 по коллоидной химии

Специальность: «Химия»

Тема: Поверхностные явления. Адсорбция

Вариант I

1. Вычислите общую площадь поверхности частиц (S), содержащихся в 1 г угольной пыли. Масса каждой частицы равна 4,825∙10-13 г, а поверхность 2∙10-8 см2.

2. Из перечисленных ниже веществ укажите, какие относятся к ПАВ, ПИВ или ПНВ и нарисуйте изотермы поверхностного натяжения для каждого из них: сульфат натрия, глюкоза, стеарат натрия, пентанол-1.

3. Какова величина поверхностной энергии тромбоцитов, содержащихся в 1 мл крови, если известно, что поверхностное натяжение тромбоцита равно 20∙10-3 Дж/м2, число тромбоцитов 3∙108 в 1 см3, а площадь поверхности единичного тромбоцита составляет ~3∙10-12 м2?

4. Рассчитайте работу адгезии ртути к стеклу при 293 К, если известен краевой угол q = 130°. Поверхностное натяжение ртути 475 мДж/м2. Найдите коэффициент растекания ртути по поверхности стекла.

5. Объясните причину поднятия жидкости в тонком капилляре относительно уровня сообщающейся с ней жидкости с плоской поверхностью.

6. Ниже приведены экспериментальные данные по адсорбции азота на TiO2 (рутиле) при 75 К:

P·102 Па 60,94 116,41 169,84 218,65 275,25

А, моль/кг 0,367 0,417 0,467 0,512 0,567.

Постройте график соответствующий линейному уравнению БЭТ. Найдите константы А¥ и k. Рассчитайте удельную поверхность адсорбента. Давление насыщенного пара азота при указанной температуре Рs=78300 Па, площадь, занимаемая одной молекулой азота Sо=0,16 нм2.

7. Для водного раствора пропилового спирта найдены следующие значения констант уравнения Шишковского (при 293°): a = 14,4∙10-3, b = 6,6. Вычислите поверхностное натяжение раствора с концентрацией, равной 1 кмоль/м3. Поверхностное натяжение воды sо = 72,53∙10-3 н/м.

Домашняя работа №1 по коллоидной химии

Специальность: «Химия»

Тема: Поверхностные явления. Адсорбция

Вариант II

1. Дисперсная система (золь камфоры в воде) содержит 2∙1014 шарообразных частиц в 1 см3. Подсчитайте общую поверхность частиц вещества дисперсной фазы (S), содержащихся в 100 мл этой системы, если диаметр частиц составляет 2∙10-6 см; площадь поверхности шара 4pR2.

2. Из перечисленных ниже веществ укажите, какие относятся к ПАВ, ПИВ или ПНВ и нарисуйте изотермы поверхностного натяжения для каждого из них: этанол, ацетон глицерин, бутанол-1.

3. Какова величина поверхностной энергии эритроцитов, содержащихся в крови взрослого человека, если известно, что поверхностное натяжение эритроцита равно 15∙10-3 Дж/м2, число эритроцитов 4∙109 в 1 см3, а площадь поверхности единичного тромбоцита составляет ~22∙10-12 м2, а объем крови 5 л.

4. Один стеклянный капилляр погружен в воду (σ = 72,5 мН/м), другой – в бензол (σ = 28,9 мН/м). Каким должен быть радиус первого и второго капилляра, чтобы высота капиллярного поднятия была одинакова?

5. Почему две стеклянные пластинки, полностью погруженные в воду и прижатые друг к другу, можно легко отделить одна от другой, а на воздухе (при наличии между ними тонкого слоя воды) для этого требуются значительные усилия?

6. Используя уравнение БЭТ, построить изотерму адсорбции бензола по нижеуказанным данным и рассчитайте удельную поверхность адсорбента по изотерме адсорбции бензола:

Р/Рs 0,03 0,07 0,12 0,17 0,24 0,31 0,38

А, моль/кг 0,196 0,301 0,373 0,423 0,488 0,520 0,625.

Площадь, занимаемую молекулой бензола, примите равной 0,49 нм2.

7. Даны константы уравнения Шишковского для водного раствора валериановой кислоты при 273К: a = 14,72∙10-3, b = 10,4. При какой концентрации поверхностное натяжение раствора будет составлять 52,1∙10-3Н/м, если поверхностное натяжение воды при 273 К равно 75,49∙10-3 Н/м.

Домашняя работа №1 по коллоидной химии

Специальность: «Химия»

Тема: Поверхностные явления. Адсорбция

Вариант III

1. Удельная поверхность суспензии селена = 0,5 м2/кг. Определить общую поверхность частиц суспензии селена, если последнего взято 0,003 кг. Плотность селена 4,28·103 кг/м3.

2. Из перечисленных ниже веществ укажите, какие относятся к ПАВ, ПИВ или ПНВ и нарисуйте изотермы поверхностного натяжения для каждого из них: бензол, фруктоза, олеат калия, серная кислота.

3. Определите поверхностное натяжение бензола при 293, 313 и 343 К. Примите, что полная поверхностная энергия не зависит от температуры и для бензола равна 61,9 мДж/м2. Температурный коэффициент поверхностного натяжения равен -0,13 мДж/(м2К).

4. Вычислите краевой угол, образованный формамидом на поверхности желатинового геля, если работа адгезии составляет 50,2 мДж/м2. Поверхностное натяжение формамида равно 41,2 мДж/м2.

5. Изобразите схематически ориентацию молекул маслорастворимого ПАВ на поверхности раздела вода/углеводород при адсорбции из углеводорода. Зависит ли в этом случае поверхностная активность от длины углеводородного радикала ПАВ и как?

6. Используя уравнение БЭТ, построить изотерму адсорбции бензола по нижеуказанным данным и рассчитайте удельную поверхность адсорбента по изотерме адсорбции бензола:

Р/Рs 0,02 0,05 0,11 0,19 0,25 0,30 0,36

А, моль/кг 0,104 0,196 0,298 0,387 0,443 0,488 0,55.

Площадь, занимаемую молекулой бензола, примите равной 0,49 нм2.

7. Используя константы уравнения Шишковского (a = 12,6∙10-3, b = 21,5), рассчитать поверхностное натяжение для водных растворов масляной кислоты при 273К для следующих концентраций (кмоль/м3): 0,007; 0,021; 0,05; 0,104 и построить кривую в координатах s = f(c). Поверхностное натяжение воды sо = 75,49∙10 -3 Н/м.

Домашняя работа №1 по коллоидной химии

Специальность: «Химия»

Тема: Поверхностные явления. Адсорбция

Вариант IV

1. Удельная поверхность частиц аэрозоля серебра Sо= 300 м2 . Принимая частицы шарообразными, определить диаметр частиц серебра.

2. Из перечисленных ниже веществ укажите, какие относятся к ПАВ, ПИВ или ПНВ и нарисуйте изотермы поверхностного натяжения для каждого из них: соляная кислота, толуол, метанол, хлороформ.

3. Какова величина поверхностной энергии эритроцитов, содержащихся в 1 мл цельной крови человека, если известно, что поверхностное натяжение эритроцита равно 15∙10-3 Дж/м2, число эритроцитов 4∙109 в 1 см3, а площадь поверхности единичного тромбоцита составляет ~22∙10-12 м2.

4. Вычислите краевой угол, образованный формамидом на поверхности желатинового геля, если работа адгезии составляет 50,2 мДж/м2. Поверхностное натяжение формамида равно 41,2 мДж/м2.

5. Изобразите схематически ориентацию молекул маслорастворимого ПАВ на поверхности раздела вода/углеводород при адсорбции из углеводорода. Зависит ли в этом случае поверхностная активность от длины углеводородного радикала ПАВ и как?

6. Ниже приведены результаты измерения адсорбции газообразного криптона (при 77,5 К) на катализаторе:

А·103, м3/кг 1,27 1,5 1,76 1,9 1,98

Р, Па 13,22 23,99 49,13 75,70 91,22.

Значения А для криптона даны при нормальных условиях. Определите константы уравнения БЭТ и удельную поверхность катализатора, принимая, что один атом криптона занимает площадь 0,195 нм2, Рs=342,6 Па, плотность криптона равна 3,74 кг/м3.

7. Определите поверхностную активность уксусноэтилового эфира по приведенным ниже значениям поверхностного натяжения водных растворов его при 298 К:

С ммоль/л 7,8 15,6 31.2 62,5 125 250 500

s, мДж/м2 69,6 68,0 65,1 61,5 56,2 49,7 41,5.

Постройте изотерму гиббсовской адсорбции. Поверхностное натяжение воды 71,96 мДж/м2.

Домашняя работа №1 по коллоидной химии

Специальность: «Химия»

Тема: Поверхностные явления. Адсорбция

Вариант V

1. Полагая, что частицы имеют форму шара, вычислить дисперсность D и удельную поверхность Sо для частиц микроскопической области, имеющих размеры, мкм: 1000; 100; 10; 1, а также для частиц из ультрамикроскопической области, где частицы имеют размеры, нм: 0,1; 1; 10; 100.

2. Из перечисленных ниже веществ укажите, какие относятся к ПАВ, ПИВ или ПНВ и нарисуйте изотермы поверхностного натяжения для каждого из них: сульфид натрия, сахароза, сульфацил натрия, изо-амиловый спирт.

3. Рассчитайте избыточное давление в капле воды (за счет кривизны) с удельной поверхностью 3∙106 м-1 при температуре 313 К, если поверхностное натяжение воды при 298 К составляет 71,96 мДж/м2, а температурный коэффициент поверхностного натяжения воды ds/dT = 0,16 мДж/(м2∙К).

4. Капли воды массой 0,1 г введена между параллельными стеклянными пластинками, причем краевой угол q = 0°. Какова сила притяжения между пластинками, если они находятся друг от друга на расстоянии 1 мкм. Поверхностное натяжение воды составляет 71,96 мДж/м2, плотность воды 0,997 г/см3.

3. На поверхность воды с бесконечно большой площадью нанесена капля стеариновой кислоты. Для этой системы Wa>Wc. Какое явление произойдет? Какая схема правильно отражает строение образовавшегося монослоя? Напишите уравнение состояния этого слоя.

а	б	в

6. Используя уравнение БЭТ, рассчитайте удельную поверхность адсорбента по данным об адсорбции азота:

А∙103, м3/кг 0,71 0,31 0,93 1,09

Р/Рs 0,1 0,2 0,3 0,4.

Площадь занимаемая молекулой азота в плотном монослое, равна 0,16 нм2, Плотность азота 1,25 кг/м3.

7. Вычислите адсорбцию масляной кислоты на поверхности раздела водного раствора с воздухом при 273К и концентрации c = 0,1 кмоль/л3, если зависимость поверхностного натяжения от концентрации выражается уравнением Шишковского:

Домашняя работа №1 по коллоидной химии

Специальность: «Химия»

Тема: Поверхностные явления. Адсорбция

Вариант VI

1. Кристалл поваренной соли, имеющий форму куба, подвергся дроблению, в результате чего получились мельчайшие кубики-кристаллики с ребрами в 1; 0,1; 0,01 и 0,001 мкм. Вычислить дисперсность D и удельную поверхность Sо для этих кристалликов.

2. Из перечисленных ниже веществ укажите, какие относятся к ПАВ, ПИВ или ПНВ и нарисуйте изотермы поверхностного натяжения для каждого из них: додецилсульфат натрия, метилэтилкетон, пероксид водорода, пентанол-2.

3. Рассчитайте поверхностное натяжение ртути, если в стеклянном капилляре радиусом 0,16·10-3 м столбик ее опустился на 0,012 м ниже уровня ртути в сосуде. Плотность ртути равна 13,6·103 кг/м3. Краевой угол смачивания равен 130°.

4. Рассмотрите возможность растекания водного раствора валериановой кислоты по поверхности ртути, исходя из значений поверхностных и межфазных натяжений: sр-р-воздух = 25 мДж/м2, sHg-воздух = 475 мДж/м2, sHg-р-р = 329 мДж/м2. Если раствор будет растекаться по поверхности ртути, то, как при этом ориентируются полярные группы валериановой кислоты: к воде или к ртути? Объясните почему.

5. В чем состоит правило Дюкло-Траубе? Нарисуйте схематически семейства изотерм поверхностного натяжения и адсорбции для этанола, н-пропанола и н-бутанола.

6. Используя уравнение БЭТ, рассчитайте удельную поверхность адсорбента по изотерме адсорбции азота (Т=77 К, Sо=16,2·10-20 м2):

Р/РS 0,0288 0,050 0,110 0,136 0,175 0,200

А, моль/кг 2,16 2,39 2,86 3,02 3,22 3,33.

Площадь занимаемая одной молекулой азота в адсорбционном слое 0,16 нм2.

7. Найдите адсорбцию пропионовой кислоты на поверхности раздела водный раствор – воздух при 273К и концентрации 0,5 кмоль/м3 по константам Шишковского: a = 12,5∙10-3 и b = 7,73.

Домашняя работа №1 по коллоидной химии

Специальность: «Химия»

Тема: Поверхностные явления. Адсорбция

Вариант VII

1. Туман, состоящий из капелек кадмия, сконденсировался, при этом образовалось 12,5∙10 -6 м3 жидкого кадмия, а свободная поверхностная энергия капелек уменьшилась на 530 Дж. Поверхностное натяжение жидкого кадмия при температуре конденсации равно 0,57 Н/м. Вычислить дисперсность D и размер (диаметр) капелек жидкого кадмия.

2. Из перечисленных ниже веществ укажите, какие относятся к ПАВ, ПИВ или ПНВ и нарисуйте изотермы поверхностного натяжения для каждого из них: сульфат меди, гептан, муравьиная кислота, изо-пропиловый спирт.

3. Рассчитайте полную поверхностную энергию 5 г эмульсии бензола в воде с концентрацией 55% (масс.) и дисперсностью 3 мкм3 при температуре 313 К. Плотность бензола 0,858 г/см3, межфазное поверхностное натяжение 26,13 мДж/м2, температурный коэффициент поверхностного натяжения бензола ds/dT = -0,13 мДж/ (м2∙К).

4. Найдите поверхностное натяжение жидкости, если в капилляре с диаметром 2 мм она поднимается на высоту 15 мм. Плотность жидкости 0,998 г/см3, краевой угол мениска равен 0°. Сделайте предположение о природе жидкости.

5. На поверхности некоторого твердого тела и вода (Н2О), и углеводород (СхНу) образуют острый краевой угол (схема 1 и 2). Избирательное смачивание в этой системе отражается схемой 3. Гидрофильно или гидрофобно данное тело? Обозначьте краевой угол на схеме 3.

6. По изотерме адсорбции азота определить удельную поверхность адсорбента

(Т=77 К, Sо=16,2·10-20 м2):

Р/Рs 0,04 0,09 0,16 0,20 0,30

А, моль/кг 2,20 2,62 2,94 3,11 3,58.

7. Вычислите по формуле Ленгмюра величину адсорбции изоамилового спирта концентрации c= 0,1 кмоль/м3 на поверхности раздела водный раствор – воздух при 292К по данным константам: Г¥ = 8,7∙10-9 кмоль/м2, b = 42.

Домашняя работа №1 по коллоидной химии

Специальность: «Химия»

Тема: Поверхностные явления. Адсорбция

Вариант VIII

1. Вычислите величину поверхности масла, содержащихся в 10 г эмульсии масла в воде, если известно, что массовая доля масла равна 0,7, поверхность каждой частицы масла составляет 12,56∙10-8 см2, а ее масса равна 3,85∙10-12 г.

2. Из перечисленных ниже веществ укажите, какие относятся к ПАВ, ПИВ или ПНВ и нарисуйте изотермы поверхностного натяжения для каждого из них: нитрат натрия, ванилин, синильная кислота, гептанол-1.

3. Для определения поверхностного натяжения воды взвешивают капли, отрывающиеся от капилляра, и измеряют, диаметр капли в момент ее отрыва. Оказалось что масса 318 капель воды равна 5,0 г, а диаметр шейки капли – 0,7 мм. Рассчитайте поверхностное натяжение воды.

4. Насколько изменится разность уровней воды в двух сообщающихся капиллярах с диаметрами 0,1 и 0,3 мм при нагревании от 293 до 343 К, если поверхностное натяжение при этих температурах равно соответственно 72,75 и 64,0 мДж/м2.Плотность воды при 293 и 343 К составляет соответственно 0,998 г/см3 и 0,78 г/см3.

5. При каком условии частица материала будет удерживаться на поверхности воды (т. е. возможна флотация):

а) σтг < σтж + σжг;	в) σтг = σтж + σжг?
б) σтж < σжг + σтг;

6. По изотерме адсорбции бензола определить удельную поверхность адсорбента (Т=293 К, Sо=49·10-20 м2):

Р/Рs 0,05 0,10 0,15 0,20 0,30 0,40

А, моль/кг 0,36 0,51 0,60 0,68 0,82 0,98.

7. Используя уравнение Ленгмюра, вычислить величину адсорбции азота на цеолите при давлении p = 2,8∙102, Г¥ = 38,9∙10-3кг/кг, а b = 0,156∙10-2.

Домашняя работа №1 по коллоидной химии

Специальность: «Химия»

Тема: Поверхностные явления. Адсорбция

Вариант IX

1. Сколько нужно затратить энергии, чтобы диспергировать 1∙10-5 м2 масла в виде тумана, дисперсность частиц которого равна 103. Поверхностное натяжение масла равно 40,5∙10-3 Н/м.

2. Из перечисленных ниже веществ укажите, какие относятся к ПАВ, ПИВ или ПНВ и нарисуйте изотермы поверхностного натяжения для каждого из них: ацетат натрия, глюкоза, циклогексанол, циклогексан.

3. По следующим данным вычислить полную поверхностную энергию для CCl4 и сделать вывод о зависимости полной поверхностной энергии от температуры

Температура, К  313  463 503 523  633 

GS,10-3,Н/м 24,41 7,28 3,56  1,93  1,2 

dσ/dT, 10-4,Н/(м К)  ‑0,12  –0,10  –0,09   –0,08  –0,07 

4. Краевой угол воды на парафине равен 111° при 298 К. Для 0,1 M раствора бутиламина в воде поверхностное натяжение составляет 56,3 мДж/м2, краевой угол на парафине равен 92°. Рассчитайте поверхностное давление пленки бутиламина, адсорбированного на поверхности раздела парафин – вода. Поверхностное натяжение воды 71,96 мДж/м2.

5. Какие два выражения характеризуют условие растекания жидкости по поверхности твердого тела (или другой жидкости):

а) σтг ³ σтж + σжг; в)Wa ³ Wc;

б) σтг – σтж < σжг; г)Wa – Wc=0?

Ответ объясните

6. По изотерме адсорбции бензола определить удельную поверхность адсорбента (Т=293К, Sо=49·10-20 м2):

Р/Рs 0,06 0,12 0,20 0,30 0,40 0,50

А, моль/кг 0,08 0,16 0,25 0,35 0,45 0,52.

Площадь, занимаемую молекулой бензола, примите равной 0,49 нм2.

7. Определить константу уравнения Никольского К, используя экспериментальные данные реакций обмена ионов Ca из почвы на ионы Na из раствора натриевой соли.

Концентрация ионов в растворе Na… 3,26 6,60 13,80 21,25 38,41 65,19

С·103, кмоль/м3 Ca.…37,84 36,72 34,62 31,87 26,16 17,10

Количество сорбированных Na….0,28 0,60 1,20 1,89 3,18 7,62

ионов Г·105, кмоль/кг Ca… 39,72 39,56 39,40 38,93 38,68 37,40.

Домашняя работа №1 по коллоидной химии

Специальность: «Химия»

Тема: Поверхностные явления. Адсорбция

Вариант X

1. Вычислите удельную поверхность золя сернистого мышьяка, средний диаметр частицы которого равен 120,0∙10-9 м, а плотность r = 3,43∙103 кг/м3 (ответ дайте в м-1 и м2/кг).

2. Из перечисленных ниже веществ укажите, какие относятся к ПАВ, ПИВ или ПНВ и нарисуйте изотермы поверхностного натяжения для каждого из них: фосфат калия, диметилсульфоксид, ацетальдегид, пропанол-1.

3. Определите поверхностное натяжение бензола при 293,313 и 343,0 К. Примите, что полная поверхностная энергия не зависит от температуры и для бензола равна 61,9 мДж/м2.температурный коэффициент ds/dT = 0,13 мДж/ (м2∙К).

4. Чтобы стряхнуть ртуть в медицинском термометре, нужно создать ускорение, равное 10g. Рассчитайте диаметр перетяжки в капилляре термометра, если поверхностное натяжение ртути 0,475 Дж/м2, длина столбика ртути выше перетяжки 5 см, плотность ртути 13,54 г/см3.

5. На поверхность кварцевой пластинки нанесена: а) капля воды; б) капля водного раствора додециламмонийхлорида. В каком случае краевой угол смачивания больше? Нарисуйте схему, обосновывающую ответ.

6. Используя уравнение БЭТ, рассчитайте удельную поверхность адсорбента по данным об адсорбции азота (Т = 293 К, S =  16,2∙10-20 м2):

Р/РS	0,1	0,2	0,3	0,4
A×103, м3/кг	0,71	0,31	0,93	1,09.

7. Известно поверхностное давление н-гексилового спирта при 285 К в зависимости от его концентрации в водном растворе:

С×104, моль/л	6,2	8,1	12,5	17,2	25	34,3	49,0	68,6	98
p×103, Н/м	2,3	2,5	3,9	5,7	7,9	9,4	13,4	16,4	19,0.

Рассчитайте величину адсорбции, площадь, приходящуюся на 1 моль, и площадь, занимаемую одной молекулой спирта в плотном монослое, используя уравнение Гиббса.