Лабораторная работа №3. Молекулярная адсорбция ПАВ на поверхности раздела «раствор – воздух»
Цель работы: 1) рассчитать изотерму молекулярной адсорбции ПАВ на поверхности раздела раствор – воздух; 2) вычислить молекулярные характеристики насыщенного адсорбционного слоя; 3) определить адсорбцию ПАВ на активированном угле и рассчитать его удельную поверхность.
Приборы и реактивы: сталагмометр, мерные колбы на 50 мл, пробирки, пипетка, груша, растворы ПАВ.
Теоретическая часть.
Термодинамические условия равновесного распределения ПАВ между объемом и поверхностным слоем определяются выражением:
, (1)
где 
, 
и 
, 
– активности и химические потенциалы растворенного вещества в поверхностном слое и объеме раствора, соответственно. Взаимосвязь между адсорбцией и понижением поверхностного натяжения выражается уравнением фундаментальной адсорбции Гиббса:
. (2)
Уравнение Гиббса позволяет рассчитать изотерму адсорбции – зависимость 
по изотерме поверхностного натяжения 
.
Для этого при разных 
находят численное значение производной 
обычно графическим путем, т. е. по наклону касательных к кривой 
в различных точках.
Изотерма мономолекулярной адсорбции описывается уравнением Ленгмюра:
, (3)
где 
– предельная адсорбция (или емкость монослоя) – величина адсорбции, отвечающая образованию на межфазной поверхности насыщенного монослоя; 
– константа адсорбционного взаимодействия; – равновесная концентрация ПАВ в объеме раствора.
|
|
|
Гиббсовская адсорбция 
рассчитывается как избыток растворенного вещества в адсорбционном слое по сравнению с объемом, по Лэнгмюру адсорбция 
– полное его количество в адсорбционном слое (в обоих случаях на единице поверхности). При условии 
.
Изотерму адсорбции Ленгмюра также можно рассчитать по зависимости . Для этого необходимо найти значения констант и . Их можно получить, используя уравнение Шишковского, описывающее изотерму поверхностного натяжения
, (4)
где 
– поверхностное натяжение растворителя; и 
– константы.
Это эмпирическое уравнение. Объединяя уравнения Гиббса и Ленгмюра, его можно получить в следующем виде:
. (5)
Из уравнений Шишковского и (5) следует, что
. (6)
Зависимость , согласно уравнениям (4) и (5), не линейна. Для расчета констант и уравнение изотермы поверхностного натяжения приводят к линейному виду.
Тогда в области не очень малых концентраций 
, пренебрегая единицей под знаком логарифма, получим уравнение (7) в виде
, (7)
т. е. 
линейно зависит от 
. Из графика зависимости 
находят константы и , а по соотношениям (6) – и .
Зная величину , можно рассчитать площадь, приходящуюся на одну молекулу в насыщенном адсорбционном слое 
(«молекулярная площадка»), и толщину адсорбционного слоя 
, равную длине молекулы, исходя из следующих соображений:
|
|
|
1. На 
поверхности адсорбировано 
молекул ( 
– число Авогадро), отсюда следует, что
. (8)
2. Масса вещества 
, адсорбированного на поверхности, равна
,
где 
– молярная масса ПАВ.
С другой стороны, величину m можно выразить как массу вещества, находящегося в объеме адсорбционного слоя с площадью 
и толщиной :
,
где 
– плотность вещества, 
.
Таким образом, 
, откуда
. (9)
При адсорбции на твердых пористых адсорбентах, например, активированном угле, также образуется насыщенный мономолекулярный слой на поверхности твердой фазы при достижении предельной адсорбции 
. Зная предельную адсорбцию и молекулярную площадку ПАВ , можно рассчитать удельную поверхность адсорбента 
.
Удельная поверхность – суммарная площадь поверхности всех пор единицы массы адсорбента ( 
), определяемая по уравнению 
(10).
Экспериментальная часть.
В качестве ПАВ применяют изопропиловый, изобутиловый и изоамиловый спирты.
Из исходного раствора ПАВ готовят ряд растворов концентрацией: 
.
На технических весах берут девять навесок активированного угля (если уголь в гранулах, то его хорошо перетирают в ступке) массой 
. Взятые навески через воронку с широким горлом вносят в чистые сухие колбы объемом 
. В колбы с навесками пипеткой переносят по 
исходного и приготовленных растворов. Колбы закрывают пробками, перемешивают встряхиванием в течение 
и оставляют на 
для установления адсорбционного равновесия в машине для встряхивания.
|
|
|
Пока в растворах с углем устанавливается адсорбционное равновесие, измеряют поверхностное натяжение исходного и приготовленных растворов (без угля) в порядке возрастания концентрации. Измерения поверхностного натяжения проводят сталагмометрическим методом.
После встряхивания растворы отфильтровывают через сухие фильтры. Измеряют поверхностное натяжение фильтратов в порядке возрастания концентрации тем же методом, которым проводили измерение поверхностного натяжения исходных растворов.
Обработка результатов эксперимента.
1. Построение изотермы адсорбции ПАВ на поверхности раздела раствор – воздух и расчет адсорбционных характеристик молекул ПАВ. Порядок расчета изотермы адсорбции графическим методом
1)
| Рисунок 1. График зависимости поверхностного натяжения спиртов одного гомологического ряда σ от их концентраций C |
Построили кривую зависимости 
от (рис. 1). На экспериментальной кривой зависимости 
выбрали 
точек, провели к ним касательные (методом зеркала) и определили отрезки 
(длину отрезков выразили в единицах поверхностного натяжения). |
|
|
2) Вычислили значения и построили изотерму адсорбции (рис. 2).
| Рисунок 3. График зависимости отношения C/Г от концентрации C |
| Рисунок 2. График зависимости адсорбции спиртов одного гомологического ряда Г от их концентраций C |
3) Вычислили значения 
и построили график зависимости 
(рис. 3). По графику нашли константы (тангенс угла наклона ) и , учитывая, что отрезок, отсекаемый прямой на оси ординат, равен 
. Необходимые для расчета данные занесли в табл. 1.
4) Вычислили значения площади молекулы ( 
) и толщины адсорбционного слоя ( 
) по формулам (8) и (9). Результаты занесли в табл. 2.
Таблица 1. Экспериментальные и расчетные данные, полученные графическим методом
| Спирт из гомологического ряда | Концентрация раствора ПАВ, 
| Количество капель до адсорбции на угле | 
| 
| 
| 
|
| Изопропиловый | 0,01 | 59 | 1,090 | - | ||
| 0,04 | 60 | 1,072 | -0,606 | 0,099 | 404877,86 | |
| 0,1 | 63,5 | 1,031 | -0,984 | 0,401 | 249269,74 | |
| Изобутиловый | 0,01 | 60,5 | 1,063 | - | ||
| 0,04 | 66,5 | 0,967 | -3,20 | 0,522 | 76677,04 | |
| 0,1 | 77,5 | 0,830 | -2,29 | 0,933 | 107156,30 | |
| Изоамиловый | 0,01 | 61 | 1,088 | - | ||
| 0,04 | 71,5 | 0,928 | -5,32 | 0,868 | 46060,72 | |
| 0,1 | 101,5 | 0,654 | -4,57 | 1,860 | 53653,22 | |
Таблица 2. Расчет геометрических параметров спиртов одного гомологического ряда
| Спирт из гомологического ряда | Величина предельной адсорбции 
| Площадь  , приходящаяся на одну молекулу в насыщенном адсорбционном слое
| Толщина адсорбционного слоя 
|
| Изопропиловый | 0,113 | 1,470 | 0,0866 |
| Изобутиловый | 1,020 | 0,163 | 0,9340 |
| Изоамиловый | 1,410 | 0,118 | 1,5200 |
2. Расчет удельной поверхности активированного угля.
1)
| Рисунок 4. Сравнение изотерм до и после адсорбции на угле |
На построенном ранее графике зависимости построили изотерму поверхностного натяжения после адсорбции на угле (рис. 4)
2) По повышению поверхностного натяжения растворов после адсорбции на угле нашли графическим путем остаточную равновесную концентрацию ПАВ 
. Для этого использовали кривую как калибровочную. Адсорбцию ПАВ на угле (в молях на адсорбента) рассчитали по формуле 
, где 
– объем раствора, 
( 
); – навеска адсорбента, 
( 
). Все данные занесли в табл. 3.
Таблица 3. Расчет данных для спиртов после адсорбции
| Спирт из гомологического ряда | Концентрация раствора ПАВ, |
|
| |
Исходная 
| Равновесная 
| |||
| Изопропиловый | 0,01 | 0,01 | 0 | 0 |
| 0,04 | 0,04 | 0 | 0 | |
| 0,1 | 0,056 | 0,044 | 1 | |
| Изобутиловый | 0,01 | - | - | - |
| 0,04 | 0,04 | 0 | 0 | |
| 0,1 | 0,074 | 0,026 | 0,8 | |
| Изоамиловый | 0,01 | - | - | - |
| 0,04 | 0,024 | 0,016 | 0,5 | |
| 0,1 | 0,082 | 0,018 | 0,5 | |
3) Построили изотерму адсорбции на угле 
По графику нашли предельное значение адсорбции (рис. 5).
| Рисунок 5. График зависимости адсорбции спирта на активированного угле Г от равновесной концентрации Cр |
4) Вычислили удельную поверхность активированного угля по формуле (10), используя значение молекулярной площадки , полученное в первой части работы.
Таблица 4. Итоговые расчеты
| Спирт | Предельное значение адсорбции 
| Удельная поверхность активированного угля 
|
| Изопропиловый | - | - |
| Изобутиловый | - | - |
| Изоамиловый | 5,00 | 0,04 |
Выводы.
Сталагмометрическим методом были измерены значения поверхностного натяжения изопропилового, изобутилового и изоамилового спиртов до и после их адсорбции активированным углем. На основании полученных данных рассчитано удельное значение площади поверхности активированного угля для изоамилового спирта: 
.
Для других спиртов значений получить не удалось. Видимо, всему виной низкие исходные концентрации спиртов.
Дата добавления: 2020-12-22; просмотров: 829; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!