Адсорбция

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Новгородский государственный университет им. Ярослава Мудрого

Факультет естественных наук и природных ресурсов

Кафедра химии и экологии

Адсорбция

Методические указания к лабораторной работе

Великий Новгород

2007 г

Адсорбция: Метод. Указ. / Сост. , – Великий Новгород: НовГУ, 2007. - 10 c.

Введение

Поверхностные явления, в частности адсорбция, играют большую роль в самых различных областях техники: поглощение отдельных компонентов из потока газа и жидкости; извлечение редких металлов и их соединений из растворов или газов и из отходов различных производств; удаление остатков газа из вакуумных приборов и т. д. С адсорбцией приходится сталкиваться в процессах химического и электрохимического травления и полирования полупроводников и металлов при очистке поверхности твердых тел от загрязнений.

Цель работы
Освоить методику определения величины адсорбции поверхностью твердого тела. Определить константы уравнения Фрейндлиха для случая адсорбции уксусной кислоты активированным углём из водных растворов.
Основные теоретические положения Основные понятия

Адсорбцией называется изменение концентрации вещества на поверхности раздела двух фаз. Адсорбция является частным случаем сорбции, процесса поглощения одного вещества поверхностью или объемом другого.

Твердое тело или жидкость, на поверхности, которых происходит адсорбция, называется адсорбентом, а вещество (газ, жидкость или растворенный компонент), частицы которого скапливаются на поверхности адсорбента – адсорбатом.

       Адсорбция возникает за счет свободной энергии поверхности, обусловленной неуравновешенностью частиц, образующих поверхностный слой. Притягивая к себе частицы из другой фазы, частицы поверхностного слоя уменьшают свою неуравновешенность,  устанавливая связь с адсорбционными частицами, и выделяют при этом энергию. По величине энергии, выделяющейся при адсорбции, можно отличить различные виды этого процесса:

Физическая адсорбция, проявляющаяся при низких температурах. Энергии выделяется мало и адсорбированные частицы почти не меняют своего строение;

Активированная адсорбция связана с более значительным выделением энергии. Адсорбированные частицы, взаимодействуя с поверхностью адсорбента, возбуждаются и изменяют своё строение. Этот вид адсорбции проявляется при гетерогенном катализе;

Хемосорбция сопровождается большим выделением энергии и адсорбированные частицы вступают в реакцию с поверхность адсорбента (топохимические соединения). Примером хемосорбции может служить адсорбция кислорода металлами.

Адсорбция зависит от природы адсорбента и адсорбата, от температуры, давления газа или концентрации растворенного вещества.

Адсорбционное равновесие. Изотерма адсорбции.

С кинетической точки зрения адсорбция является обратимым процессом, т. е. одновременно с адсорбцией происходит десорбция, когда адсорбированные молекулы вследствие кинетического движения уходят с поверхности адсорбента в газовую фазу или раствор. В начале процесса скорость адсорбции больше скорости десорбции. По мере насыщения поверхности адсорбента устанавливается состояние адсорбционного равновесия, которое характеризуется равенством скоростей адсорбции и десорбции. Концентрация вещества в газовой фазе или растворе, отвечающая состоянию равновесия называется равновесной. Адсорбционное равновесие подвижно и может быть смещено в ту или другую сторону в соответствии с  принципом Ле Шателье.

       Количественно адсорбцию можно выражать в молях адсорбата на единицу площади поверхности адсорбента, моль/м2, или на единицу массы адсорбента, моль/г. Кривую зависимости величины адсорбции Г от равновесных концентрации С или давления P адсорбата при постоянной Т называют изотермой адсорбции: Г = f (С) или Г = f(P) при Т = const.

На рис.1 приведены изотермы адсорбции аммиака активированным углём при разных температурах.

Рис.1 Изотерма адсорбции аммиака на активированном угле.

       На кривой, характеризующей адсорбцию при t  = -23,50C, можно выделить три участка:

I – адсорбция прямо пропорциональна давлению газа;

II – адсорбция растет с повышением давления;

III – адсорбция стремится к насыщению.

Количественно процесс адсорбции описывается уравнением Лэнгмюра:

Г = Гmax∙[Кс∙С/(1+ Кс∙С)]  или  Г = Гmax∙[Кр ∙Р/(1+ Кр ∙Р)] (1)

Где P(С ) – равновесное парциальное давление газа (концентрация)

Кр (Кс) – константа адсорбционного равновесия.

       В области малых равновесных концентраций (давлений) газа, когда слагаемым  Кс∙С или Кр ∙Р можно пренебречь, уравнение Лэнгмюра принимает вид:

Г = Гmax∙Кс∙С  или  Г = Гmax∙Кр ∙Р (2)

В области больших концентраций ( давлений) газа, когда слагаемые

Кс∙С>> 1, Кр∙Р>>1, уравнение Лэнгмюра принимает вид:

  Г = Гmax  (3)

Изотерму адсорбции на неоднородной поверхности обычно получают опытным путём. Одной из подобных изотерм является изотерма Фрейндлиха:

  Г = Кс∙С1/П (4)

Где Кс  и П – постоянные для данной системы величины.

Как видно из рис. 1, при повышении температуры наблюдается понижение адсорбции, что свидетельствует об экзотермичности процесса.

       Отметим две общие закономерности адсорбции:

1) При прочих равных условиях сильнее адсорбируется те газы, которые легче конденсируются в жидкость или обладают более высокой температурой кипения в жидком состоянии;

2) При прочих равных условиях из раствора лучше сорбируются те вещества, которые обладают меньшей растворимостью.

На этом основан процесс избирательной адсорбции, который очень часто используется. Например, противогаз сорбирует примеси к воздуху, но мало задерживает воздух, так как температура кипения O2 и N2 очень низкие. Избирательная адсорбция применяется в хроматографии для разделения веществ, адсорбированных из потока газа – носителя или из раствора.

Требования техники безопасности.

При выполнении работы следует выполнять общие правила работы в химической лаборатории. При  отборе кислоты мерными пипетками пользуйтесь грушами! Избегайте попадания растворов кислоты или щелочи на руки и одежду. При необходимости смывайте растворы большим количеством воды и нейтрализуйте раствором слабой кислоты или щелочи.

Экспериментальная часть.

Величина адсорбции на твердых поверхностях измеряется по разности между начальной концентрацией вещества в растворе и концентрацией его при установлении адсорбционного равновесия – равновесной. Так как величина адсорбирующей поверхности обычно неизвестна, поэтому величину адсорбции относят к единице массы адсорбента.

С учетом сказанного, для определения констант в уравнении Фрейндлиха выполните следующее:

1. В пять - восемь конических колб отмерьте мерным цилиндром по 50 мл раствора уксусной кислоты разных концентраций: 0,4; 0,2; 0,1; 0,05; и 0,025 моль/л и др.

2. В каждую из них добавьте по 1 г измельченного активированного угля.

3. Для установления адсорбционного равновесия колбы периодически встряхивайте в течение10 = 15 минут.

4. Отфильтруйте растворы в чистые колбы, используя складчатые фильтры.

5. Уточните концентрации растворов уксусной кислоты, взятой для адсорбции. В колбу мерной пипеткой возьмите 10 (15) мл кислоты и добавьте в раствор 2-3 капли фенолфталеина. Затем, из бюретки осторожно, по каплям, прибавляйте раствор 0,1 Н гидроксида натрия до появления устойчивого розового окрашивания. Отметьте объем щелочи Vщ, пошедшей на титрования. Определение повторите два раза. По среднему значению объема пошедшей на титрование щелочи, вычислите концентрацию кислоты на основе уравнения закона эквивалентов:

Снк ∙ Vк = Снщ ∙ Vщ  (5)

где Снк и Снщ  - нормальная концентрация растворов кислоты и щелочи;

  Vк и Vщ  - объемы кислоты и щелочи, мл

Снк =( Снщ ∙ Vщ)/ Vк  (6) 

6.Полученные результаты внесите в таблицу 1

Таблица 1

Концентрации кислоты	Объем кислоты Vк	Объем щелочи Vщ, израсх. На титр. 1| 2| 3| Средн	Точная концентрация кислоты Cо, моль/л	Объем щелочи израсх. На титр. 1| 2| 3| Средн	Равновесная концентрация кислоты С, моль/л
10 10 10 10
Исходная кислота	Кислота после адсобции

7. Определите равновесную концентрацию кислоты. Для этого 10 мл фильтрата каждой кислоты оттитруйте раствором 0,1 Н NaOH точно так же, как и в предыдущем случае. Результаты также внесите в таблицу 1.

( Для сокращения времени проведения лабораторной работы пункты 5и 6  не выполняются студентами, и в этом случае таблица 1:

Таблица 1

Исходная  кислота   ( по 50 мл )	Кислота после адсорбции
№	Концентрация   кислоты,   моль/л	Точная концентрация Cо, моль/л	Объем кислоты Vк, мл	Объем щелочи,    израсходованный   на титрование, мл	Равновесная  концентрация   кислоты   С, моль/л
V1щ	V2щ	V3щ	Средний    объем   Vщ
1
2
3
4
5
6
7
8

8. Для определения коэффициентов Kc и 1/n в уравнении Фрейндлиха (4) представим его в логарифмическом виде:

lg Г =  lgКс + 1/n lg С (7)

Уравнение (7) есть уравнение первой степени, графическое изображение которого даёт прямую линию в координатах: lg Г = f ( lg C).

Для построения графика (общий вид которого показан на рис.2), заполните таблицу 2.

Таблица 2

№	Точная концентрация исходного раствора кислоты Со (моль/л)	Равновесная концентрация кислоты	Количество адсорбированной кислоты, (моль) х = 0,05∙(Со - С)	Масса адсорбента m, г	Величина адсорбции (моль/г)
С,  моль/л	lg C	Г=х/m	lg Г
1
2
3
4
5
6
7
8

9. По графику (рис.2) определите постоянные и запишите уравнение изотермы, для исследованного случая.

Рис.2 Изотерма адсорбции в логарифмических координатах.

10. По экспериментальным данным постройте график изотермы адсорбции в координатах Г = f (С равнов).

11. Для сравнения на последнем рисунке постройте теоретическую изотерму адсорбции, предварительно рассчитав величину адсорбции по полученному экспериментальному уравнению приняв равновесные концентрации уксусной кислоты равными: 0,05; 0,1; 0,15; 0,2 и 0,3 моль/л.

Требования к отчёту.

Отчет должен быть оформлен аккуратно,  грамотно, в срок.

В теоретической части укажите основные определения.

Экспериментальные результаты представьте в виде таблиц и графически. Графики надо строить по экспериментальным (или рассчитанным) точкам.

Контрольные вопросы.
Что такое адсорбция? Причины её протекания и виды адсорбции. Единицы измерения адсорбции. Что характеризует адсорбционное равновесие? Как влияют на него концентрация адсорбата и температура? Изотерма адсорбции. Уравнение Лэнгмюра и Фрейндлиха. В чём принципиальное различие между уравнениями Лэнгмюра и Фрейндлиха? Найти равновесную концентрацию уксусной кислоты если величина адсорбции в уравнении Фрейндлиха равна 0,012 моль/м2, а константа Кс и n соответственно 0,25 и 3,1. Теплота адсорбции аммиака на мелко раздробленной меди равна 29,3 кДж. Какой объем аммиака поглотится медью, если при этом выделилось 158,6 кДж тепла?

Литература

1. Ершов химия. Биофизическая химия. Химия биогенных элементов/ , , и др.: - Учеб. для мед. спец. вузов. Под. ред. . - М.: Высш. шк.., 1993. - 560 с., ил.

2. Слесарев : Основы Химии живого: Учебник для вузов – 2-е изд. испр и доп. – СПб: Химиздат, 2001. –780 с.: ил.

3. Коровин химия. – М.: ВШ., 1998 (2002). -  559 с

4. Глинка химия. - М.: Химия, 1988. - 720 с. (М.: Интеграл-Пресс, 2002. – 727 с.).