книги / Физическая и коллоидная химия. Поверхностные явления

Содержание работы

1.Рассчитать количество уксусной кислоты, поглощенной углем, в каждой пробе.

2.Построить изотерму адсорбции А = f (с).

3. Графически определить константы уравнений Ленгмюра

иФрейндлиха.

4.Проверить применимость уравнения Фрейндлиха для описания адсорбции раствора уксусной кислоты на активированном угле.

Методика выполнения эксперимента

Изучение адсорбции уксусной кислоты на активированном угле основано на определении концентрации раствора до контакта с адсорбентом с0 (исходный раствор) и после наступления адсорбционного равновесия с.

Включают рН-метр и опускают электроды на 30–40 мин в стакан с чистой водой.

Из исходного раствора уксусной кислоты с концентрацией 0,4 моль/дм3 методом последовательного разбавления готовят шесть растворов с концентрациями 0,4; 0,2; 0,1; 0,05; 0,025 и 0,0125 моль/дм3. Для этого к 50 см3 исходного 0,4 М раствора добавляют точно 50 см3 дистиллированной воды, тщательно перемешивают. Половину раствора (50 см3) помещают в колбу 5, вторую половину вновь аналогично разбавляют. Далее оставляют 50 см3 в мерном цилиндре для последующего разведения, а 50 см3 полученного 0,1 М раствора наливают в колбу 4 и т.д. Объем каждого раствора должен составлять 50 см3. Приготовив все шесть растворов заданных концентраций, измеряют их рН. Измерения проводят начиная с самого разбавленного раствора. Далее промывают электрод дистиллированной водой.

Затем проводят взвешивание предварительно измельченного активированного угля (по заданию преподавателя) на аналитических весах с точностью до 0,01 г. Только после того, как взвешены все шесть навесок угля, их переносят в колбы. Наименьшую навес-

61

ку помещают в самый разбавленный раствор, а наибольшую – в самый концентрированный.

Засекают время началa контакта раствора с углем и ставят колбы в аппарат для встряхивания. Продолжительность контактирования 40–45 мин. После истечения времени отфильтровывают растворы от угля и определяют равновесное значение рН, начиная с самого разбавленного раствора. Данные заносят в табл. 8.1.

			Таблица 8.1
	Результаты эксперимента
Номер колбы	с0, моль/дм3	pHисх	pHравн
1	0,0125
2	0,025
3	0,05
4	0,1
5	0,2
6	0,4

Обработка результатов Определение постоянных в уравнениях Ленгмюра и Фрейндлиха

По исходным концентрациям и начальным значениям рН растворов строят калибровочный график pH = f (–lgс).

Пользуясь калибровочным графиком и равновесными значениями рН растворов, определяют их равновесные концентрации.

Величину адсорбции уксусной кислоты углем (моль/г) определяют по уравнению

	A = (c0 − cp )V ,	(8.1)
	m
где с0 и ср – соответственно концентрация исходного		раствора
и раствора после контактирования с углем, моль/дм3;
V –	объем раствора, находящегося в контакте с углем, дм3;
m –	навеска угля, г.
Результаты расчетов заносят в табл. 8.2.
62

Таблица 8.2

Результаты эксперимента

№		с0,		ср,	А,	lgc0	lgср	1/А		1/ср	cр /А
п/п	моль/дм3			моль/дм3	моль/г
По данным таблицы строят графики 1/А = f (1/ср); ср/А = f (cр)
и lgА = f(lg cр).
Из		графиков		определяют значения			констант		в уравнениях

Фрейндлиха и Ленгмюра (см. рис. 6.6 и 6.8 и уравнения (6.12)

и (6.17)).

Для определения пределов применимости этих уравнений вычисляют величину адсорбции при концентрациях 10; 1; 0,1; 0,01; 0,001 моль/дм3. Для области, в которой найденные точки дают линейную зависимость, уравнение Фрейндлиха применимо.

63

9. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

АДСОРБЦИЯ ПАВ НА ГРАНИЦЕ ТВЕРДОЕ ТЕЛО – ЖИДКОСТЬ

Цель работы: изучить адсорбцию поверхностно-активного вещества из водного раствора на твердом адсорбенте и рассчитать удельную поверхность адсорбента.

Оборудование и реактивы

1.Прибор для определения поверхностного натяжения методом максимального давления в пузырьке.

2.Весы аналитические.

3.Раствор амилового или бутилового спирта, с концентрацией

0, 3 и 0,6 моль/дм3.

4.Пять стаканов вместимостью 100 см3.

5.Мерный цилиндр.

6.Активированный уголь.

Содержание работы

1.Определить зависимость поверхностного натяжения от исходной концентрации поверхностно-активных веществ (ПАВ) на границе раствор – воздух для серии растворов ПАВ. Построить изотерму поверхностного натяжения σ = f(с), которую используют как калибровочный график

2.Провести адсорбцию ПАВ на твердом адсорбенте и измерить поверхностное натяжение растворов после адсорбции. Используя калибровочный график по величинам измеренных поверхностных натяжений σ найти значения равновесной концентрации ср.

3.Рассчитать для каждой концентрации величину адсорбции

ипостроить изотерму адсорбции А = f(ср).

4.Рассчитать удельную поверхность твердого адсорбента sуд. Описание лабораторной установки к лабораторным работам

№ 3 и 1 одинаковое (см. рис. 7.2).

64

Методика проведения эксперимента

В тщательно вымытых колбах готовят растворы указанного ПАВ (по заданию) определенных концентраций (табл. 9.1). Для этого в мерные колбы на 100 см3 наливают раствор ПАВ в количестве, указанном в табл. 9.1, и добавляют дистиллированной воды до метки. После этого раствор хорошо перемешивают. В качестве твердого адсорбента используют активированный уголь.

Адсорбция ПАВ на угле достигается через 1–1,5 ч, поэтому необходимо поставить опыты по адсорбции заблаговременно. Для этого растворы делят на две части по 50 см3.

			Таблица 9.1
Приготовление растворов заданной концентрации
Бутиловый спирт (0,6 М)		Амиловый спирт (0,3 М)
с, кмоль/м3	V, см3	с, кмоль/м3	V, см3
0,06	10	0,03	10
0,12	20	0,06	20
0,18	30	0,09	30
0,30	50	0,15	50
0,42	70	0,21	70
0,60	100	0,30	100

Активированный уголь предварительно хорошо измельчают

вступке и берут навески в количестве 2 г. Эти навески помещают

вколбы с растворами по 50 см3, перемешивают во встряхивателе (10–15 мин) и оставляют стоять до начала измерений.

После этого приступают к измерениям поверхностного натяжения чистых (без угля) растворов. Измерения поверхностного натяжения проводят с наклонным манометром по методу наибольшего давления пузырька (метод Ребиндера), начиная с растворов, имеющих меньшую концентрацию ПАВ. Описание метода Ребиндера дано в лабораторной работе № 1. Отмечают показания манометра ∆p при проскакивании пузырька воздуха для каждого раствора, включая и чистый растворитель (воду).

Величины поверхностных натяжений для растворов поверхно- стно-активных веществ рассчитываются по формуле (7.3). Значения

65

∆p и σ заносят в табл. 9.2 (графа «До адсорбции»). По найденным значениям строят в крупном масштабе калибровочный график – изотерму поверхностного натяжения σ = f(с). Кривая изотермы поверхностного натяжения для поверхностно-активных веществ представлена на рис. 7.3.

Таблица 9.2

Результаты эксперимента

До адсорбции					После адсорбции
с0,	∆p, м		σ,	∆p, м	σ,	ср,	Г,
кмоль/м3			мДж/м2		мДж/м2	кмоль/м3	кмоль/кг

После того как растворы ПАВ постояли с углем, их фильтруют

иопределяют поверхностное натяжение. Для этого последовательно,

начиная с меньшей концентрации (включая и Н2О), все растворы после контакта с углем заливают в сосуд на установке Ребиндера. Находят показания манометра при проскакивании пузырька ∆p, м,

ирассчитывают по формуле (7.3) поверхностное натяжение.

Обработка результатов Построение изотермы адсорбции

На твердых телах с высокоразвитыми поверхностями адсорбция может быть сравнительно легко найдена по разности между начальной концентрацией исходного раствора с0 поверхностноактивного вещества и концентрацией, устанавливающейся после достижения адсорбционного равновесия ср. Расчет адсорбции А для каждой концентрации проводят по формуле

	A =	(c0	− cр )V	(9.1)
			,
			m
где m –	навеска угля, кг;
V –	объем раствора, м3;
с0 –	исходная концентрация ПАВ, кмоль/м3 (до адсорбции),
ср –	равновесная концентрация ПАВ, кмоль/м3 (после адсорбции).
66

Значение равновесной концентрации ср находят, используя калибровочный график σ = f(с). Для этого по графику находят значения равновесных концентраций растворов, отвечающие величинам поверхностных натяжений растворов, измеренных после контакта с углем. Например, раствор исходной концентрации c1 имеющий поверхностное натяжение σ1 после контакта с углем покажет более высокое значение поверхностного натяжения σ2. Этой величине будет отвечать равновесная концентрация раствора с2 меньше исходной концентрации с1. Данные для ср заносят в табл. 9.2.

Вычисляют адсорбцию А для каждой концентрации ПАВ и заносят в табл. 9.2, строят зависимость адсорбции А от равновесной концентрации растворов ср, т.е. изотерму адсорбции А = f(ср). Из графика определяют предельную адсорбцию А∞ как максимальное и постоянное значение адсорбции А.

Определение параметров адсорбционного слоя

Зная предельную адсорбцию А∞, рассчитывают удельную поверхность sуд активированного угля, т.е. поверхность, которую имеет 1 кг угля, по формуле (6.19):

sуд = А∞ NA s0,

где NА – число Авогадро, равное 6,02·1026 для 1 кмоль; s0 – площадь поперечного сечения молекулы ПАВ.

В расчете принимают, что для спиртов s0 = 3,0·10–19 м2.

67

10. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4

ИЗУЧЕНИЕ ЯВЛЕНИЙ СМАЧИВАНИЯ И АДГЕЗИИ

Цель работы: получение зависимости величины краевого угла смачивания от концентрации ПАВ, построение изотермы смачивания, расчет величин работы адгезии и смачивания, нахождение точки инверсии смачивания.

Вопросы для коллоквиума

1.Смачивание и растекание жидкости.

2.Краевой угол смачивания. Гидрофильные и гидрофобные поверхности. Уравнение Юнга.

3.Адгезия и когезия.

4.Работа адгезии. Уравнения Дюпре и Дюпре – Юнга.

Оборудование и реактивы

1.Прибор для проектирования капли жидкости на экран.

2.Прибор для определения поверхностного натяжения методом максимального давления в пузырьке.

3.Раствор амилового или изобутилового спирта, с концентрацией 0,2 моль/дм3.

4.Пять стаканов вместимостью 100 см3.

5.Мерный цилиндр.

Содержание работы

1.Измерить краевые углы смачивания при разных концентрациях растворов ПАВ.

2.Измерить поверхностное натяжение растворов ПАВ σ01 при разных концентрациях.

3.Построить график зависимости cosθ = f(σ01) и определить σкр для полимера.

4.Рассчитать работу адгезии Wa.

68

Методика проведения эксперимента

Готовят растворы ПАВ (амиловый или изоамиловый спирты) в тщательно вымытых стаканчиках на 50 см3 из исходной концентрации 0,2 моль/дм3 методом последовательного разведения (см. лабораторную работу № 1).

Определяют углы смачивания тефлона или другого полимера растворами ПАВ. Поверхности пластинок предварительно обезжиривают толуолом. Измерения начинают с растворов меньшей концентрации.

Краевые углы находят по данным измерения высоты капли h и диаметра ее основания d (рис. 10.1).

Рис. 10.1. Схема определения краевых углов смачивания

Краевые углы θ находят по данным измерения высоты капли жидкости и диаметра ее основания:

cosθ =	(r 2	– h2)	,	(10.1)
	(r2
		+ h2 )

где r = d/2.

Геометрические параметры капель находят проецируя каплю, нанесенную на поверхность, на экран. Контур капли точно обрисовывают на кальке, прикрепленной к экрану. Далее проводят обмер капли и вычисление краевого угла. Можно проводить измерение капли с помощью отсчетного микроскопа МИР-2 (рис. 10.2).

69

Рис. 10.2. Установка для измерения краевого угла: 1 – кювета; 2 – столик; 3 – подставка, 4 – пленка полимера; 5 – лампа; 6 – отсчетный микроскоп; 7, 8, 9 – винты регулировки; 10 – трансформатор

Все измерения краевого угла проводят три раза, и величину краевого угла находят как среднее арифметическое. Полученные данные заносят в табл. 10.1.

Измерения поверхностного натяжения проводят с наклонным манометром по методу наибольшего давления пузырька (метод Ребиндера), начиная с растворов, имеющих меньшую концентрацию ПАВ. Описание метода Ребиндера дано в лабораторной работе № 1. Отмечают показания манометра ∆p при проскакивании пузырька воздухадля каждого раствора, включая ичистый растворитель(воду).

Величины поверхностных натяжений для растворов поверхно- стно-активных веществ рассчитываются по формуле (7.3). Данные также заносят в табл. 10.1.

Таблица 10.1

Данные измерений

с0, моль/дм3	d, мм	h, мм	сosθ	σ, Дж/м2	Wa, Дж/м2
0
0,0125
0,025
0,05
0,10
0,20
70