Физическая и коллоидная химия (стр. 9 )

Для небольших концентраций ПАВ применимо правило Траубе: поверхно­стная активность веществ на границе раздела раствор – воз­дух возрастает в 3–3,5 раза при той же молярной концент­рации при увеличении углеводородного радикала на группу –СН2.

Л а б о р а т о р н а я р а б о т а 8. АДСОРБЦИЯ УКСУСНОЙ

КИСЛОТЫ НА ПОВЕРХНОСТИ ПОЧВЫ

Реактивы и материалы: 0,025 н., 0,05 н., 0,1 н., 0,2 н. растворы СН3СООН; 0,1 н. раствор NaOH с бюреткой, почва, фенолфталеин, четыре конические колбы на 250 мл с пробками и четыре конические колбы на 100–150 мл, четыре стаканчика на 100 мл, четыре воронки, круглые фильтры, пипетки на 50 и 10 мл.

Ход опыта. На технохимических весах берут навески по 5 г почвы и вносят в четыре сухие колбы, отмеряют по 50 мл растворов уксусной кислоты, указанной в таблице нормаль­ности, и заливают навески почвы. Колбы закрывают проб­ками, встряхивают и оставляют на 15–20 мин, время от вре­мени повторяя встряхивание. В это время точно определяют начальную концентрацию С0 растворов уксусной кислоты. Для этого берут пипеткой по 10 мл исходных растворов ук­сусной кислоты и титруют 0,1 н. раствором NaOH с индика­тором фенолфталеином (две капли). Концентрацию С0 выра­жают в миллимолях СН3СООН, содержащихся в 1 мл раст­вора.

Пример. Для определения точной концентрации кисло­ты взяли 10 мл приблизительно 0,025 н. раствора СН3СООН (концентрация в колбе 1) и затратили при титровании 2,52 мл 0,1 н. раствора NaOH. Нормальная концентрация раствора кислоты, исходя из уравнения NK · VК = Nщ · Vщ, будет следующей:

NK = (2,52 · 0,1) / 10 = 0,0252 н.

Поскольку уксусная кислота одноосновная, ее нормальная концентрация совпадает с молярной, т. е. 0,0252 н. = 0,0252 М.

В 1000 мл раствора будет содержаться 0,0252 моль, или 25,2 ммоль, СН3СООН, а в 1 мл – 0,0252 ммоль. Значит, на­чальная концентрация в колбе 1 C0 = 0,0252 ммоль/мл.

Аналогичным образом рассчитывают точную концентра­цию С0 в колбах 2, 3 и 4.

Через 15–20 мин после наступления равновесия растворы в другой серии колб отделяют от почвы фильтрованием в от­дельные колбочки. Почву при этом не взбалтывают, а сли­вают отстоявшийся раствор на фильтр, отбрасывая первые пор­ции фильтрата.

Равновесную концентрацию кислоты в фильтрате С1 так­же определяют титрованием. Для этого берут, как и в первом случае, пипеткой 10 мл раствора, добавляют две капли фенол­фталеина, титруют 0,1 н. раствором NaOH и рассчитывают равновесную концентрацию С1 уксусной кислоты..

Количество адсорбированной СН3СООН (х) в миллимолях на 5 г почвы находят по формуле х = (С0 – С1) · 50. Количество миллимолей уксусной кислоты, адсорбированных 1 г почвы, находят пу­тем деления разности х на навеску почвы m, равную 5 г (х/m, ммоль/г).

Полученные данные заносят в таблицу. По данным опыта на миллиметровой бумаге строят изо­терму адсорбции, причем по оси абсцисс наносят значение С1, а по оси ординат – х/m.

Показатели	Номер колбы
1	2	3	4
1. Объем взятых кислот, мл	50	50	50	50
2. Приблизительная нормальность дан­ных растворов, н.	0,025	0,05	0,1	0,2
3. Количество 0,1 н. NaOH, затраченное на титрование исходных растворов кислот, мл
4. Точная нормальная концентрация, н.
5. Концентрация раствора кислот С0, ммоль/мл
6. Количество 0,1 н. NaOH, затраченное на тит-рование растворов кислот после адсорбции, мл
7. Точная нормальная концентрация этих растворов, н.
8. Концентрация равновесных растворов кислот С1, ммоль/мл
9. Количество ммолей СН3СООН, адсор­биро-ванное 5 г почвы, х = (С 0 – С1) · 50
10. Количество СН3СООН, адсорбирован­ное 1 г почвы (х/м, ммоль/г)

Логарифмическую форму изотермы адсорбции строят, от­кладывая по оси абсцисс lgC1, а на оси ординат – lgx/m. Найденные точки должны лежать на прямой линии. Констан­ты К и 1/n, входящие в уравнение Фрейндлиха, находят графически из логарифмической прямой адсорбции. Величи­на 1/n будет представлять собой тангенс угла наклона пря­мой к оси абсцисс, а отрезок, отсекаемый прямой на оси ор­динат, соответствует значению величины lgК. Масштаб по обеим осям должен быть выбран одинаковым.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение понятиям: сорбция, адсорбция, аб­сорбция, десорбция, адсорбент, адсорбтив. Приведите примеры.

2. Что называется положительной и отрицательной ад­сорбцией?

3. Почему происходит адсорбция одних веществ на поверх­ности других?

4. От каких факторов зависит адсорбция?

5. Какие виды адсорбции вы знаете?

6. Что такое обменная адсорбция?

7. В чем отличие физической адсорбции от хемосорбции?

8. Какое практическое значение имеет адсорбция?

Л а б о р а т о р н а я р а б о т а 9.

ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ И ЕГО ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Определение поверхностного натяжения производится раз­личными методами: методом счета отрывающихся капель, по высоте капиллярного поднятия жидкости, по измерению дав­ления, под которым выдавливаются пузырьки воздуха в жид­кость (метод Ребиндера).

Измерение поверхностного натяжения по методу счета от­рывающихся капель. Принцип метода основан на определе­нии массы капли, вытекающей из капилляра, в момент ее отрыва. Отрыв капли происходит тогда, когда ее масса бу­дет на ничтожно малую величину превышать силу поверх­ностного натяження и практически можно считать, что в мо­мент отрыва капли ее масса уравновешивается поверхност­ным натяжением. В этом случае задача опыта сведется к определению массы капли. Зная объем вытекающей жидко­сти V, число капель n жидкости в объеме V, плотность жид­кости р, ускорение силы тяжести g, можно вычислить массу одной капли а:

a = (V · ρ · g) / n.

Поверхностное натяжение в момент отрыва капли в узкой части капилляра равно 2πrσ (r – радиус капилляра, σ – по­верхностное натяжение). Следовательно, (V · ρ · g) / n = 2πrσ. Точно такое же уравнение справедливо и для воды:

(V · ρ0 · g) / n0 = 2πrσ0.

Разделив первое уравнение на второе, найдем поверхност­ное натяжение исследуемой жидкости:

σ = (σ0 · ρ · n0) / ρ0 · n.

Принимая плотность воды ρ0 = 1, получим:

σ = (σ0 · ρ · n0) / n.

В случае разбавленных растворов их плотность можно приравнять к плотности воды (1 г/см3), тогда

σ = (σ0 · n0) / n.

Определение поверхностного натяжения вышеуказанным методом производят в приборе, называемом сталагмометром.

Приборы и материалы: сталагмометр со штативом, шесть стаканчиков на 50 мл, 1 М растворы этанола, пропанола, и бутанола, 0,25 М и 0,5 М раствор пропанола, 1 М раствор хлорида натрия, две стеклянные трубки длиной 1,5–2 м и диаметром 1–2 см, почва, сухой песок.

Сталагмометр состоит из трубки, име­ющей расширение, выше и ниже расширения имеются на­чальная и конечная метки. Внизу через капиллярное отвер­стие жидкость вытекает в виде капель.

Опыт 1. Определение поверхностного натяжения

1 М растворов спиртов

Определение производится следующим об­разом. Сталагмометр промывают хромовой смесью, несколь­ко раз ополаскивают дистиллированной водой и вертикально укрепляют в штативе. Через резиновую трубку («грушу»), на­детую на верхний конец сталагмометра, засасывают из под­ставленного снизу стаканчика (или чашечки) дистиллиро­ванную воду (без пузырьков!) до верхней метки, опуска­ют стаканчик с водой на стол и начинают счет капель от верхней метки. Заканчивают отсчет в момент отрыва капли у нижней метки. Опыт повторяют несколько раз и берут средне­арифметическое значение.

Подобным образом определяют поверхностное натяжение 1 М растворов спиртов и 1 М раствора NaCl.

Поверхностное натяжение вычисляют по уравнению с учетом σ0 = 72,75 · 10–3 Н/м:

σ = (σ0 · n0) / n.

Результаты опыта записывают в таблицу.

Вещество	Концентрация	ρ	Число капель	σ
1	2	3	Среднее

На основании результатов опыта сделать вывод о поверх­ностной активности этих веществ.

Опыт 2. Влияние концентрации на поверхностное

на­тяжение

Определить поверхностное натяжение 0,25 М, 0,5 М, 1 М и концентрированного растворов пропанола. Данные за­нести в таблицу. Начертить график зависимости σ от кон­центрации и сделать соответствующий вывод.

Опыт 3. Определение радиуса капилляров в почве по высоте

поднятия жидкости

Между почвенными частицами всегда образуется система капилляров. Средний радиус этих капилляров зависит от размера дисперсных частиц. Чем круп­нее почвенные частицы, тем радиус капилляров будет боль­ше. Кроме дисперсности на величину радиуса почвенных ка­пилляров влияет плотность их упаковки. В более рыхлых почвах диаметр их будет больше, чем в уплотненных, сле­жавшихся почвах.