При расчетах по уравнению Фрейндлиха значение и размерность удельной адсорбции зависят от способа выражения равновесной концентрации. Для таких ПАВ, как органические кислоты, концентрацию в растворе обычно выражают в единицах молярности или молярной концентрации эквивалента (моль/л). У одноосновных кислот значения указанных концентраций совпадают, поэтому результат расчета не зависит от подстановки той или другой из этих величин. Для многоосновных кислот при переходе от одного способа выражения концентрации к другому необходимо вводить соответствующий коэффициент. Для определения количества адсорбированной кислоты х необходимо знать ее содержание в объеме раствора, взятого для адсорбции (моль), которое находят по формуле:
а=C0V, (5)
где C0 – исходная концентрация кислоты (до адсорбции), моль/л; V – объем раствора, взятый для адсорбции, л.
а также содержание кислоты в объеме раствора после адсорбции:
в=CравнV, (6)
где Cравн – концентрация кислоты после адсорбции, моль/л.
Концентрации кислот (моль/л) до и после адсорбции обычно вычисляют по данным титрования:
Ск=VщCщ/Vк, (7)
где Ск – концентрация кислоты, моль/л; Сщ – концентрация щелочи, моль/л; Vщ – объем щелочи, пошедший на титрование, мл; Vк – объем раствора кислоты, взятый для титрования, мл.
Количество адсорбированной кислоты:
х=а-в, (моль) (8)
Разделив х на массу угля m (кг), находят удельную адсорбцию для каждого раствора кислоты Г, моль/л:
Г=х/m (9)
На основе результатов опыта и расчетов строят график изотермы адсорбции x/m =f(Сравн). Для определения констант уравнения Фрейндлиха k и 1/n находят значения логарифмов x/m и С равн и строят график линейной формы изотермы в координатах: lgx/m – lgCравн. При проведении адсорбции на твердом адсорбенте определяют начальные и равновесные концентрации адсорбата в растворе. Выбор аналитического метода зависит от природы ПАВ. Для органических кислот, как правило, применяют титрование раствором щелочи в присутствии фенолфталеина. При наличии таких приборов, как потенциометры, кондуктометры, интерферометры, индикаторное титрование может быть заменено соответствующим физико-химическим методом анализа. Эти методы требуют построения кривых титрования или градуировочного графика по растворам известной концентрации, после чего определяют искомые концентрации путем прямых измерений. Кондуктометрия и потенциометрия применимы только для анализа ионогенных ПАВ, например кислот, оснований, солей. С помощью жидкостного интерферометра можно определять концентрации растворов ПАВ любой природы.
При изучении адсорбции уксусной кислоты можно не применять физико–химические методы, так как эта кислота титруется с достаточно большим скачком рН и определение конечной точки титрования не вызывает затруднений.
Для установления области применимости уравнения Фрейндлиха к данному виду адсорбции, подставляют найденные константы 1/n и lgk в линейную форму уравнения изотермы (уравнение 3) и вычисляют величину lg(x/m) для 5–6 значений равновесных концентраций кислоты. Последние берут из имеющегося графика (x/m)=f(C) в широком интервале концентраций. Наносят полученные расчетом величины lg(x/m) на график lg(x/m)=f(lgC). Для области, где найденные точки дают линейную зависимость, уравнение Фрейндлиха применимо.
ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ
Из исходного раствора 0,4 моль/л уксусной кислоты (СН3СООН) готовят последовательным разбавлением вдвое 6 растворов по 50 мл каждого:
50 мл 0,4 моль/л СН3СООН
50 мл 0,4 моль/л СН3СООН + 50 мл Н2Одист – получили 0,2 моль/л СН3СООН
50 мл 0,2 моль/л СН3СООН + 50 мл Н2Одист – получили 0,1 моль/л СН3СООН
50 мл 0,1 моль/л СН3СООН + 50 мл Н2Одист – получили 0,05 моль/л СН3СООН
50 мл 0,05 моль/л СН3СООН + 50 мл Н2Одист – получили 0,025 моль/л СН3СООН
50 мл 0,025 моль/л СН3СООН + 50 мл Н2Одист – получили 0,0125 моль/л СН3СООН
Объемы растворов воды и кислоты отмеряют с помощью цилиндров. Из шести пронумерованных колб отбирают по 20 мл раствора каждой концентрации в другие пронумерованные колбы, соответствующего номера. В оставшиеся растворы (по 30 мл в каждой колбе) внести по 1 г (0,001 кг), предварительно растертого в ступке, активированного угля. Поставить для встряхивания на 15-20 мин до установления адсорбционного равновесия. Отобранные растворы (20 мл) используют для определения точной концентрации приготовленной уксусной кислоты. Точную концентрацию растворов уксусной кислоты устанавливают титрованием 0,1 моль/л раствором гидроксида натрия (NaOH) с фенолфталеином. Для этого в колбу для титрования отбирают по 5 мл пробы кислоты, вносят 1-2 капли фенолфталеина и титруют раствором щелочи. Титруют до появления устойчивой бледно-розовой окраски раствора, 2 или 3 раза. Концентрацию кислоты рассчитывают по формуле (7).
По истечении заданного времени адсорбции (более 30 мин), суспензию угля каждой колбы отфильтровывают через фильтры. Первые порции фильтратов (10-15 мл) отбрасывают, так как в них концентрация кислоты может быть понижена за счет адсорбции фильтровальной бумагой. Концентрацию равновесного раствора кислоты (Сравн) в фильтратах определяют так же, как и Сх по формуле (7).
ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ эксперимента
Результаты измерений
Таблица 1.
АДСОРБЕНТ | АДСОРБАТ | |||||||
ДО АДСОРБЦИИ | ПОСЛЕ АДСОРБЦИИ | |||||||
№раств | Vк, мл | Vщ, мл | Cщ, моль/л | Со. моль/л | V’к, мл | V’щ, мл | Cщ, моль/л | Cравн, моль/л |
1 | 5 | 0,1 | 5 | 0,1 | ||||
2 | 5 | 0,1 | 5 | 0,1 | ||||
3 | 5 | 0,1 | 5 | 0,1 | ||||
4 | 5 | 0,1 | 5 | 0,1 | ||||
5 | 5 | 0,1 | 5 | 0,1 | ||||
6 | 5 | 0,1 | 5 | 0,1 |
Со – расчетная концентрация кислоты до адсорбции, моль/л (считать по уравнению 7).
Сщ – концентрация титрующей щелочи, моль/л.
Сравн – расчетная концентрация кислоты после адсорбции, моль/л (считать по уравнению 7).
Vк – объем кислоты для титрования, мл.
Vщ – средний объем щелочи, пошедший на титрование, мл.
V’к – объем фильтрата кислоты для титрования, мл.
V’щ – средний объем щелочи, пошедшей на титрование, мл.
Результаты расчетов
Таблица 2.
№ | Со, моль/л | Сравн, моль/л | a, моль | в, моль | x, моль | (x/m)экс, моль/кг | lg(x/m)экс | lgCравн | lg(x/m)теор | lgCтеор |
(ур-е 7) | (ур-е 7) | (ур-е 5) | (ур-е 6) | (ур-е 8) | (ур-е 9) | |||||
1 | ||||||||||
2 | ||||||||||
3 | ||||||||||
4 | ||||||||||
5 | ||||||||||
6 |
Используя данные таблицы 2 начертить на миллиметровой бумаге изотерму адсорбции уксусной кислоты в координатах (x/m)экс=f(Cравн) и lg(x/m)экс=f(lgCравн).
По графику lg(x/m)экс=f(lgCравн) определяют значение lgk, k, tga=1/n. При расчете tga катеты треугольника выражают в тех величинах, которые отложены на осях координат, т. е. lg(x/m) и lg(Cравн). Графически определенные константы lgk и 1/n подставляют в уравнение 3.
Для проверки применимости уравнения 3 к адсорбции органических кислот из растворов на угле строят график lg(x/m)теор=f(lgCтеор). Для его построения на графике lg(x/m)экс=f(lgCравн) выбирают несколько значений концентраций вне области исследования (т. е. по обе стороны от экспериментального графика). Выбранные значения lgCтеор подставляют в уравнение 3 и рассчитывают lg(x/m)теор. Строят график lg(x/m)теор=f(lgCтеор) и делают вывод о концентрационных пределах применимости уравнения Фрейндлиха к адсорбции уксусной кислоты на угле.
В отчете должны быть приведены названия ПАВ, температура опыта, примеры расчетов концентрации растворов ПАВ до и после адсорбции, удельной адсорбции х/m, коэффициентов уравнения Фрейндлиха k и n, таблицы 1 и 2. К отчету прилагают графики x/m=f(C), lg(x/m)эксп=f(lgCравн), lg(x/m)теор=f(lgCтеор).
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ
1. Что такое адсорбция, адсорбент, адсорбат (адсорбтив)?
2. Что такое изотерма адсорбции?
3. Какова природа сил, обуславливающих адсорбцию? Виды адсорбции, привести примеры.
4. Как изменяется адсорбция в зависимости от концентрации разбавленных растворов в соответствии с законом Генри?
5. В каких случаях справедливо уравнение Фрейндлиха и как графически определить коэффициенты этого уравнения?
6. Проанализируйте уравнение Ленгмюра для различных концентраций адсорбтива.
7. Как рассчитать адсорбцию из раствора на твердом адсорбенте?
8.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3
Измерение поверхностного натяжения и исследование поверхностной активности в гомологическом ряду
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 |
Основные порталы (построено редакторами)