Адсорбция уксусной кислоты на активированном угле уравнение

Изучение адсорбции уксусной кислоты на активированном угле — файл n1.doc

приобрести
Изучение адсорбции уксусной кислоты на активированном угле
скачать (170 kb.)
Доступные файлы (1):

n1.doc

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего

Томский политехнический университет

Направление (специальность): Химическая технология и биотехнология

Кафедра: Физической и аналитической химии

Лабораторная работа №3

по курсу «Поверхностные явления и дисперсные системы»

Изучение адсорбции уксусной кислоты

на активированном угле

Студент гр. ФФФ ФФФ.
Руководитель

канд. хим. наук, доц. ФФФФ.

Томск 2009
Цель работы:

1. Изучить процесс адсорбции на границе твердое тело-раствор на примере адсорбции уксусной кислоты на активированном угле

2. Сравнить изотерму адсорбции, полученную экспериментально с изотермами адсорбции, рассчитанными по уравнениям Фрэйндлиха и Лэнгмюра.
Теоретическая часть.

1. Адсорбция. Основные понятия и определения

Поверхностная энергия любой термодинамической системы стремится самопроизвольно уменьшиться. Это выражается в уменьшении или площади межфазной поверхности, или поверхностного натяжения. К явлениям, происходящим вследствие стремления к самопроизвольному снижению поверхностного натяжения, относится адсорбция.
На любой границе раздела фаз существует так называемый «поверхностный слой» – переходная область от одной объемной фазы к другой. Поверхностный слой имеет очень малую толщину (всего несколько молекул), но в нем сосредоточен весь избыток поверхностной энергии и массы вещества.
Адсорбция – процесс самопроизвольного перераспределения компонентов системы между поверхностным слоем и объемной фазой, т.е. поглощение одного вещества поверхностью другого.
В однокомпонентных системах при формировании поверхностного слоя происходит изменение его структуры (сгущение, уплотнение), которые часто называют автоадсорбцией. В многокомпонентных системах при перераспределении компонентов в поверхностный слой предпочтительнее переходит тот компонент, который сильнее уменьшает межфазное (поверхностное) натяжение.
Если поглощаемое вещество диффундирует вглубь поглотителя и распределяется по всему объему, то такое явление называют абсорбцией (поглощение объемом).
Адсорбент – вещество, на поверхности которого идет адсорбция. Адсорбат – вещество, адсорбированное поверхностью адсорбента. Адсорбтив – вещество, находящееся в объемной фазе, способное к адсорбции.
С термодинамической точки зрения адсорбция — самопроизвольный процесс выравнивания химических потенциалов компонента в объеме системы и поверхностном слое. Этот процесс происходит вследствие стремления к минимуму поверхностной энергии или энергии Гиббса системы.

1. Количественные способы выражения адсорбции

Количественно величину адсорбции выражают двумя способами:

1. Абсолютная адсорбция (А) – количество вещества (моль) в поверхностном слое, приходящееся на единицу площади поверхности или единицу массы адсорбента (моль/м 2 , моль/г).

, (1)

где: C_S – концентрация компонента в поверхностном слое объемом

h – толщина поверхностного слоя.

Гиббсовская (избыточная) адсорбция (Г) – избыточное число моль адсорбата в поверхностном слое (на единицу площади поверхности) по сравнению с тем числом моль, который бы находился в адсорбционном объеме в отсутствии адсорбции.

, (2)
где: N_общ – общее число моль адсорбтива;

С_V – равновесная объемная концентрация адсорбтива;

S – площадь поверхности адсорбента;

С₀ – исходная концентрация адсорбтива;

C_S – концентрация адсорбата в поверхностном слое.
При больших избытках адсорбата в поверхностном слое (С_S>>C_V), равновесной концентрацией адсорбтива в объеме фазы (C_V) можно пренебречь, поэтому величины А и Г приблизительно равны.
При экспериментальном определении величину адсорбции рассчитывают по разности исходных и равновесных концентраций адсорбтива, т.е. определяют величину Г.

, (3)
где: C₀ – концентрация адсорбтива до адсорбции;

С_р – равновесная концентрация адсорбтива после адсорбции,

S – площадь межфазной поверхности,

V – объем раствора.
Если адсорбентом является твердое пористое тело, общую поверхность которого определить невозможно, то адсорбцию Г относят к единице массы адсорбента (моль/г).
3. Теория мономолекулярной адсорбции Лэнгмюра
В настоящее время не создано общей теории, которая бы достаточно корректно описывала бы все виды адсорбции на различных поверхностях раздела фаз. Рассмотрим основные положения «классической» теории адсорбции, разработанной в начале XX века Лэнгмюром:

1. Адсорбция молекул адсорбата происходит на активных центрах, всегда существующих на поверхности адсорбента. Активные центры адсорбента энергетически равноценны.
2. Каждый активный центр может адсорбировать только одну молекулу адсорбата. В результате этого на поверхности адсорбента образуется мономолекулярный слой адсорбата.
3. Адсорбированные молекулы не взаимодействуют друг с другом. Поэтому время пребывания молекул на активных центрах не зависит от того, заняты молекулами соседние активные центры или нет.
4. Адсорбция носит динамический характер. Адсорбат удерживается на поверхности адсорбента некоторое время, а потом десорбируется.

На основе приведенных исходных положений Лэнгмюром было предложено уравнение изотермы мономолекулярной адсорбции, которое для адсорбции из растворов имеет вид:

, (4)

где: С – равновесная концентрация адсорбтива;

К – константа адсорбционного равновесия, характеризующая энергию взаимодействия адсорбата и адсорбента;

А_? – предельная адсорбция (емкость адсорбционного монослоя).
Типичный вид изотермы Лэнгмюра показан на рисунке 1.

Рис.1. Изотерма мономолекулярной адсорбции Лэнгмюра в координатах А=f(С).
На изотерме адсорбции Лэнгмюра выделяют три участка:
I — область малых концентраций (КС >1), тогда: А=А_?, вся поверхность адсорбента занята молекулами адсорбата.

II – область средних концентраций: расчет ведут по уравнению (4).
3.1. Расчет констант уравнения Лэнгмюра
Константы (К и А_?) уравнения Лэнгмюра рассчитывают двумя способами:

1. Аналитический способ: в уравнение (4) подставляют экспериментальные значения А при соответствующих значения С, решают систему уравнений с двумя неизвестными, находят А_? и К.

2. Графический способ: уравнение (4) приводят к линейному виду: y=a+bx.

(5)

Строят изотерму адсорбции в координатах линейной формы уравнения Лэнгмюра (рис.2):

Рис.2. Изотерма адсорбции в координатах линейной формы уравнения Лэнгмюра.

Экстраполяция зависимости до оси ординат дает отрезок, равный , тангенс угла наклона прямой равен .
Уравнение Лэнгмюра, выведенное для описания процесса адсорбции газа на твердой поверхности, используют и для описания молекулярной адсорбции из растворов.
4. Эмпирическое уравнение адсорбции Фрейндлиха
Для описания процесса адсорбции также используют эмпирическое уравнение Фрейндлиха.

, (6)

где: С – равновесная концентрация адсорбтива;

? и n – константы, определяемые опытным путем.
Константа ? по своему физическому смыслу представляет собой значение адсорбции при равновесной концентрации адсорбтива, равной единице (при С=1, А = ?). Эта константа для различных адсорбционных систем колеблется в пределах 2 ч 2,5.
Показатель характеризует степень отклонения изотермы адсорбции от прямой линии ( ? 0,2 ч 0,7).
Константы уравнения Фрейндлиха из опытных данных определяют графически. Для этого уравнение (6) логарифмируют:

, (7)

Уравнение (7) представляет собой уравнение прямой в координатах lg A – lg С.

Рис.3. График для нахождения констант в уравнении Фрейндлиха
Экстраполяция зависимости до оси ординат дает отрезок, равный lg ?, тангенс угла наклона прямой равен .

Таблица 1. Результаты титрования исходных растворов уксусной кислоты до адсорбции

Таблица 2. Результаты титрования растворов уксусной кислоты после адсорбции

Таблица 3.

Расчет по Лэнгмюру

=8,22 ммоль/г

Расчет по Фрэйндлиху

При выполнении работы был изучен процесс адсорбции уксусной кислоты на активированном угле. По результатам экспериментальных данных были построены изотермы адсорбции по Лэнгмюру и Фрэйндлиху. Изотерма по Лэнгмюру более схожа с экспериментальной.

«Адсорбция уксусной кислоты активированным углем»

Обращаем Ваше внимание, что в соответствии с Федеральным законом N 273-ФЗ «Об образовании в Российской Федерации» в организациях, осуществляющих образовательную деятельность, организовывается обучение и воспитание обучающихся с ОВЗ как совместно с другими обучающимися, так и в отдельных классах или группах.

XIV муниципальная научно-практическая конференция

старшеклассников «Старт в науку»

Секция _естественных наук

Название работы «Адсорбция уксусной кислоты активированным углем»

Автор работы Насырова Сабина

Школа _МБОУ Лицей г. Абдулино , 10 класс_

Научный руководитель Зарипова Халимя Сафуановна, учитель химии, категория — высшая_

Адсорбция на поверхности жидкости……………………………….5-8 стр.

Адсорбционная теория гетерогенного катализа………………………8 стр.

Теория мономолекулярной адсорбции Ленгмюра…………9-10 стр.

Уравнение Фрейндлиха…………………………………. 10 стр.

Титриметрический метод анализа……………………………………………..11 стр.

Кислотно-основное титрование……………………………………11-12 стр.

Методика «Адсорбция уксусной кислоты активированным углем»………………………………………………………………. 13-15 стр.

Результаты эксперимента ……………………………………………. 16 стр.

В живой и неживой природе широко распространено явле­ние поглощения одним веществом других веществ, называемое адсорбцией. Тела с разви­той поверхностью способны поглощать, т. е. адсорбировать, из окружающего объема мо­лекулы газа, жидкости. Толщи горных пород и почвы являются огромными колоннами с адсорбентами, по которым перемещаются водные и газовые растворы. Легочная ткань подобна адсорбенту — носителю, на котором удерживается гемоглобин крови, обеспечивающий перенос кислорода в организм. Многие функции биологических мембран живой клетки связаны со свойствами их поверхности.

изучить адсорбцию уксусной кислоты активированным углем;

на практике определить адсорбцию;

построить график изотермы адсорбции Ленгмюра.

изучить литературу по данному вопросу;

систематизировать материал об адсорбции;

изучить основные положения титриметрического метода анализа;

экспериментальны путем определить количество уксусной кислоты, поглощенной активированным углем при адсорбции;

построить изотерму адсорбции (график зависимости адсорбции от равновесной концентрации);

обработать результаты исследования.

Объект исследования: адсорбция веществ.

Предмет исследования: адсорбция уксусной кислоты активированным углем.

Методы исследования: 1) Теоретические (изучение литературы, интернет-ресурсов );

2)Эмпирические ( наблюдение, сравнение, аналогии, обобщение);

3) Практические (проведение эксперимента).

Гипотеза: если раствор известной концентрации при­вести в контакт с адсорбентом и, после установления адсорбционного равновесия измерить концентрацию полу­ченного равновесного раствора, то количество адсорбирован­ного из раствора вещества можно определить из разности между концентрацией раствора до и после адсорбции. Опре­деляя эту разность для растворов различной концентрации, и зная массу адсорбента, можно получить данные об удельной адсорб­ции. По этим данным можно построить изотерму адсорбции.

Со способностью тел с развитой поверхностью поглощать из окружающего объема молекулы газа или жидкости мы часто встречаемся в нашей жизни. Это явление носит название «адсорбция», которое многие и не знают.

Но на самом деле практическое значение адсорбции весьма велико. Адсорбцией пользуются в технологии получения редких элементов, при крашении волокон и обогащении полезных ископаемых. Важную роль адсорбция играет в нефтяной промышленности, металлургии, а также при протекании многих каталитических реакций и в химии коллоидных растворов.

Несмотря на широкое практическое применение адсорбции, в школьном курсе химии изучению данного вопроса уделяется недостаточно внимания. Мы познакомились с явлением адсорбции только при изучении темы «Углерод. Аллотропия углерода» (9 класс).

Участвуя в региональном этапе Всероссийской олимпиады школьников по химии, я столкнулась с титриметрическим методом анализа веществ. В целях подготовки к олимпиаде у меня появилось желание узнать как можно больше интересного в данной области.

Именно кислотно-основное титрование было выбрано мною для определения адсорбции уксусной кислоты активированным углем. В качестве адсорбента в данном случае я выбрала активированный уголь, потому что его адсорбционные свойства используются еще и в медицине для удаления вредных и опасных веществ из организма.

Я надеюсь, что методика определения адсорбции уксусной кислоты на активированном угле и результаты данного эксперимента заинтересуют юных химиков, которым нравится узнавать что-то новое и занимательное.

Явление адсорбции известно очень давно. Такие природные материалы, как песок и почва, использовали для очистки воды еще на заре человеческого общества.

В конце XVIII века К. Шееле и одновременно Фонтана обнаружили способность свежепрокаленного древесного угля поглощать различные газы в объемах, в несколько раз превышающих его собственный объем. Вскоре выяснилось, что величина поглощенного объема зависит от типа угля и природы газа. Т.Е. Ловиц в 1785 году открыл явление адсорбции углем в жидкой среде, подробно исследовал его и предложил использовать уголь для очистки фармацевтических препаратов, спирта, вина, органических соединений. Ловиц показал, что древесный уголь способен быстро очищать испорченную воду и делать ее пригодной для питья. И сейчас основным действующим началом фильтров для воды служат углеродные материалы, конечно более современные, чем природные угли.

Необходимость обезвреживания боевых отравляющих веществ, возникшая в ходе первой мировой войны, стимулировала развитие работ по очистке газов. Разработанный российским ученым Н.Д. Зелинским противогаз с активным углем в качестве сорбента до сих пор является наилучшим способом защиты от летучих ядовитых веществ.( см. приложение 1)

Адсорбция на поверхности жидкости

Поверхностная энергия стремится самопроизвольно уменьшиться из-за уменьшения площади поверхности или поверхностного натяжения. К явлениям, происходящим вследствие стремления к самопроизвольному снижению поверхностного натяжения, относится адсорбция. (см. рис 1, приложение 2)

Адсорбция – это процесс самопроизвольного перераспре­деления компонентов системы между поверхностным слоем и объемной фазой.

При адсорбции в поверхностный слой переходит тот компонент, который сильнее уменьшает по­верхностное (межфазное) натяжение. Адсорбция может происходить на любой поверхности раздела между двумя фазами, например жидкость-газ или твердое тело-жидкость.

Высокодисперсные природные или искусственные материалы с большой удельной поверхностью, на которой происходит адсорбция веществ из соприкасающихся с ней газов или жидкостей , называются адсорбентами. Адсорбент может быть твердым или жидким, пористым и непористым.

Вещество, которое перераспределяется и может находиться в газообразной или жидкой фазе, называют адсорбатом. Та­ким образом, адсорбат адсорбируется на адсорбенте.

Обрат­ный процесс перехода вещества из поверхностного слоя в объемную фазу называют десорбцией.

Различают физическую (молекулярную) адсорбцию, хе­мосорбцию (образование химического соединения между ад­сорбентом и адсорбатом) и ионный обмен.

Для физической адсорбции характерно взаимодействие адсорбента и адсорбата за счет слабых межмолекулярных сил и водородных связей.

Хемосорбция отличается от физической адсорбции тем, что обусловлена образованием химических связей между адсорбентом и адсорбатом. Сильная хемосорб­ция часто необратима, вместо адсорбированного вещества может десорбироваться другое соединение. Нередко физиче­ская адсорбция предшествует хемосорбции.

Для количественного описания адсорбции используют в основном две величины. Одна измеряется числом молей или граммов адсорбата, приходящихся на единицу поверхности или на единицу массы адсорбента. Ее принято обозначать буквой А. Такой способ описания адсорбции используется в случае твердых адсорбентов.

Другая характеристика величины адсорбции определя­ется избытком вещества в поверхностном слое по сравнению с его количеством в таком же объеме фазы, также отнесенным к единице массы адсорбента. Эту величину называют поверхностным избытком или адсорбцией Гиббса, обозначают буквой Г и используют в основном в случае жидкого адсорбента.

На молекулы жидкости, находящие­ся на поверхности, действует сила, стремящаяся перенести их вглубь. В случае жидких растворов, которые состоят из рас­творителя и растворенного вещества, на поверхности возника­ет конкуренция между молекулами растворителя и частица­ми (молекулами, ионами) растворенного вещества за «право» покинуть поверхность. И здесь возможны два варианта:

если перенос частиц растворенного вещества с поверхности вглубь раствора даст меньший выигрыш в энергии, то будет про­исходить накопление растворенного вещества в поверхно­стном слое, при этом поверхность будут покидать молекулы раство­рителя;

если же перенос частиц растворенного вещества с поверх­ности даст больший выигрыш в энергии, чем перенос мо­лекул растворителя, то именно частицы растворенного ве­щества будут уходить вглубь раствора.

И в том, и другом случае система стремится к состоянию с минимальным поверхностным натяжением раствора. По способности концентрироваться на поверхности раство­ра растворенные вещества подразделяются на две группы:

вещества, накапливающиеся в поверхностном слое, для которых концентрация на поверхности выше, чем в глубине раствора (Г > 0), их называют поверхностно­-активными веществами (ПАВ). Эти вещества значитель­но снижают поверхностное натяжение растворителя;

вещества, для которых концентрация на поверхности ни­же, чем в глубине раствора (Г

Поверхностно-активными веществами по отношению к воде являются большинство органических растворимых в воде веществ: кислоты и их соли, спирты, эфиры, амины, аминокислоты, белки и др. К поверхностно-инак­тивным веществам относятся почти все неорганические электроли­ты: кислоты, щелочи, соли.

Молекулы ПАВ состоят из полярной группы (-ОН, -СООН, -СОО-, -NH₂ и др.), способствующей растворимости ПАВ в воде, и углеводородного радикала – гидрофобной части молекулы, препятствующей растворимости в воде, но способствующей растворимости ПАВ в неполярных растворителях. Молеку­лы ПАВ обычно схематично изображают кружочком с хвос­тиком. Кружок обозначает полярную группу, а хвостик – ­углеводородный радикал. (см. рис. 2, приложение 2). Молекулы ПАВ, оказавшись на границе полярной и непо­лярной фаз, ориентируются определенным образом –­полярная часть обращена к полярной фазе (например, к воде), а углеводородный радикал – к неполярной (например, к воз­духу, бензолу и т. П.), образуя подобие частокола. Обратная ориентация энергетически невыгодна.

Способность ПАВ сильно снижать поверхностное натяже­ние воды широко используется человеком в повседневной жизни – это все моющие и чистящие средства (мыло, стиральные порошки, шампуни, средства для чистки посуды и т. П.), в которых основным компонентом являются ПАВ, обеспечива­ющие удаление загрязнений.

Мы выяснили, что в разбавленных растворах поверхностно-активных веществ (ПАВ) их кон­центрация в поверхностном слое может в десятки и даже сот­ни раз увеличиваться в результате адсорбции, особенно для биологически активных веществ (белки, фолиевые кислоты и др.). Это имеет большое значение для живых организмов, так как приводит к увеличению скорости процессов, идущих на поверхности таких растворов.

Биологические мембраны, например оболочки клеток, то­же состоят из молекул ПАВ – фосфолипидов, у которых по два углеводородных хвоста (см. рис. 3, приложение 2). Внутри водного раствора фосфолипиды выстраиваются в двойной слой, чтобы спрятать углеводородные хвосты от во­ды (см. рис. 4, приложение 2). Если концентрация фосфолипида в водном растворе мень­ше некоторого критического значения, двойной слой делится на фрагменты, которые самопроизвольно сворачиваются в пу­зырьки – липосомы.

Адсорбционная теория гетерогенного катализа

Катализ — избирательное ускорение направлений химической реакции под действием катализатора, который многократно вступает в промежуточное химическое взаимодействие с участниками реакции и восстанавливает свой химический состав после каждого цикла промежуточных химических взаимодействий.

При гетерогенном катализе ускорение процесса обычно происходит на поверхности твердого тела — катализатора, поэтому активность катализатора зависит от величины и свойств его поверхности. На практике катализатор обычно наносят на твердый пористый носитель.

Стадии гетерогенного катализа:

1. Диффузия. Реагирующие молекулы диффундируют к поверхности твердого вещества.

2. Адсорбция. Реагирующие молекулы сначала подвергаются физической адсорб­ции на активных центрах поверхности твердого вещества. Затем они хемосорбируются на ней.

3. Химическая реакция. Реагирующие молекулы, оказывающиеся рядом друг с другом, вступают в реакцию между собой с образованием продуктов.

4. Десорбция. Эта стадия обратна стадии адсорбции. После завершения реакции, молекулы продуктов оказываются хемосорбированными на поверхности, после чего они становятся физически адсорбированными на ней, и в конце концов высвобождаются с поверхности.

5. Диффузия. Молекулы продуктов диффундируют от поверхности.

Эти пять стадий схематично представлены на рисунке 5 (приложение 2) на примере каталити­ческого гидрирования этилена с использованием тонкоизмельченного никелевого катализатора:

₂Н₄(г.) + Н₂(г.) С₂Н₆(г.)

Отметим, что водород адсорбируется на поверхностных атомах никеля в атомарном виде. Тонкоизмельченное состояние катализатора обеспечивает большую площадь его поверхности и тем самым повышает эффективность его каталитического действия.

Единой теории, которая достаточно корректно описывала бы все виды адсорбции на разных поверхностях раздела фаз, не имеется; рассмотрим поэтому некоторые наиболее распространенные теории адсорбции, описывающие отдельные виды адсорбции на поверхности раздела твердое тело – газ или твердое тело – раствор.

Теория мономолекулярной адсорбции Ленгмюра

В ходе изучения ПАВ в 1915г. Американский химик и физик Ирвинг Ленгмюр выдвинул и математически обосновал идею об особом строении адсорбционных слоев.

Теория Ирвинга Ленгмюра(1914-1918) явилась фундаментальным вкладом в учение об адсорбции. Она основывается на следующих положениях:

Адсорбция является локализованной и вызывается силами, близкими к химическим.

Адсорбция происходит не на всей поверхности адсорбента, а на активных центрах, которыми являются выступы либо впадины на поверхности адсорбента, характеризующиеся наличием т.н. свободных валентностей. Активные центры считаются независимыми (т.е. один активный центр не влияет на адсорбционную способность других), и тождественными.

Каждый активный центр способен взаимодействовать только с одной молекулой адсорбата; в результате на поверхности может образоваться только один слой адсорбированных молекул.

Процесс адсорбции является обратимым и равновесным – адсорбированная молекула удерживается активным центром некоторое время, после чего десорбируется; т.о., через некоторое время между процессами адсорбции и десорбции устанавливается динамическое равновесие.

На основе этих положений было получено следующее уравнение изотермы адсорбции:

A= А∞ (1),

где А∞ — предельная адсорбция, k – константа, С – концентрация раствора.

Изотерма адсорбции Ленгмюра изображена на рисунке 6 (приложение 3).

Для определения соответствия теории результатам эксперимента уравнение изотермы приводят к линейному виду и строят соответствующий график. Уравнение 1 можно привести к линейной форме путем деления 1 на обе части уравнения:

График, соответствующий уравнению 2, имеет вид восходящей прямой. Если экспериментальные данные, отложенные в координатах l/А – 1/С, ложатся на прямую, то это означает, что теория адсорбции Ленгмюра адекватно описывает данный процесс. Нахождение tgα и пересечения прямой с осью ординат позволит рассчитать А∞ и k. Если прямая не получается, то это означает, что данная модель непригодна для адекватного описания адсорбции в конкретной системе.

Ленгмюровская модель адсорбции является полезной абстракцией, передающей важные черты явления. Однако положения, лежащие в ее основе, в значительной степени идеализируют и упрощают действительную картину адсорбции. Поэтому она далеко не всегда оказывается справедливой.

4.2 Уравнение Г. Фрейндлиха

Теоретические представления, развитые Ленгмюром в значительной степени идеализируют и упрощают истинную картину адсорбции. На самом деле поверхность адсорбента неоднородна, между адсорбированными частицами имеет место взаимодействие, активные центры не являются полностью независимыми друг от друга и т.д. Все это усложняет вид уравнения изотермы. Фрейндлих предположил, что на поверхности есть более выгодные для адсорбции участки и менее выгодные. Он получил следующее уравнение изотермы адсорбции:

где К и n – константы, С – концентрация раствора.

Изотерма адсорбции Фрейндлиха в координатах А-С изображена на рисунке 7 (приложение 3).

Титриметрический метод анализа

Титриметрический метод анализа является разделом количественного анализа, в котором содержание вещества определяется путем точного измерения объема раствора реагента (титранта), вступившего в химическую реакцию с определяемым веществом. Концентрация раствора титранта должна быть точно известна.

Процесс постепенного приливания раствора-титранта к раствору анализируемого вещества называют титрованием. Момент, когда титрант добавили в исследуемый раствор в количестве, химически эквивалентном определяемому веществу, называют точкой эквивалентности. Для определения этого момента в исследуемый раствор добавляют индикатор. Окраска индикатора изменяется, когда реакция между определяемым веществом и титрантом доходит до конца. Практически изменение цвета не точно совпадает с точкой эквивалентности. В этом случае говорят о точке конца титрования. Т.е. это такой момент титрования, когда по изменению окраски раствора индикатора или по другим признакам замечают конец реакции. К моменту конца титрования, количество прибавляемого титранта больше или меньше эквивалентного. Титрование будет тем точнее, чем ближе к точке эквивалентности лежит точка конца титрования. Достигнув точки конца титрования, добавление титранта прекращают. По затраченному объему титранта и его концентрации вычисляют результаты анализа. (см. рис. 8 приложение 3)

Кислотно-основное титрование — титриметрический метод определения концентрации кислот или оснований, основанный на реакции нейтрализации:

Титрование раствором щелочи называется алкалиметрией, а титрование раствором кислоты — ацидиметрией. При количественном определении кислот (алкалиметрия) — рабочим раствором является раствор щелочи NaOH или КОН, при количественном определении щелочи (ацидиметрия) рабочим раствором является раствор сильной кислоты (обычно НСl или H₂ SO ₄).

При использовании индикаторов последние подбирают таким образом, чтобы их pH точки эквивалентности была посредине pH скачка титрования. При этом диапазон pH скачка титрования тем больше, чем сильнее титруемая кислота (основание), и тем выше точность титрования. Для слабых кислот (оснований) скачок титрования меньше, и его можно увеличить за счёт реакций комплексообразования.

Титрование сильной кислоты сильным основанием.

В точке эквивалентности титрования добавление к кислоте ещё одной капли основания вызывает резкое возрастание рН. Для такого титрования можно воспользоваться такими индикаторами, как краситель метиловый красный и фенолфталеин (с диапазоном изменения окраски между значениями рН 4 и 10). Следует отметить, что если в качестве инди­катора титрования сильной кислоты сильным основанием использовать метиловый оранжевый, то изменение окраски оказывается не столь резким.

Титрование сильной кислоты слабым основанием.

Удобными индикаторами для него являются метиловый красный либо бромтимоловый синий (с диапазоном изменения окраски между значениям рН от 4 до 8) , но не фенолфталеин, поскольку его диапазон изменения окраски не подходит.

Титрование слабой кислоты сильным основанием.

Для данного титрования подходят индикаторы феноловый красный либо фенолфталеин (область значений рН от 6,5 до 11). Индикаторы с диапазоном изменения окраски, расположенным ниже рН 6, как у метилового оранжевого, не подходят для такого титрования, поскольку их диапазон изменения окраски не позволяет точно обнаружить точку эквивалентности.

Титрование слабой кислоты слабым основанием.

Титрование этого типа характеризуется отсутствием резкого изменения рН в момент достижения точки эквивалентности. Изменения рН происходят плавно во всей области принимаемых значений. Поэтому для титрований такого типа невозможно подобрать индикатор. (см.рис.9, приложение 4)

Методика «Адсорбция уксусной кислоты активированным углем»

Оборудование: колбы конические, ёмкость 250 мл (12 шт.), бюретка с краном (25 мл), мерные цилиндры, лабораторный штатив с лапкой, воронки (6 шт.), фильтры бумажные (6 шт.), весы учебные лабораторные (ВУЛ-100/200), калькулятор.

Реактивы: раствор уксусной кислоты (0,4 н), раствор гидроксида натрия (0,1 н), спиртовой раствор фенолфталеина (0,245 %), уголь активированный – УФБ (20 шт.)

Приготовление рабочего раствора.

В шести пронумерованных конических колбах объемом 500 мл готовится рабочий раствор. Для этого в каждую колбу наливается рассчитанное количество 0,4н раствора уксусной кислоты и доливается 100 мл дистиллированной воды.

Изучение адсорбции водных растворов уксусной кислоты на активированном угле

По определению, данному Большой Советской Энциклопедией, адсорбция — поглощение какого-либо вещества из газообразной среды или раствора поверхностным слоем жидкости или твёрдого тела. Явление адсорбции тесно связано с особыми свойствами вещества в поверхностном слое. Например, молекулы, лежащие на поверхности раздела фаз жидкость — пар, втягиваются внутрь жидкости, т. к. испытывают большее притяжение со стороны молекул, находящихся в объёме жидкости, чем со стороны молекул пара, концентрация которых во много раз меньше концентрации жидкости. Это внутреннее притяжение заставляет поверхность сокращаться и количественно характеризуется поверхностным натяжением. Вещество, на поверхности которого происходит адсорбция, называется адсорбентом, а поглощаемое из объёмной фазы — адсорбатом. В зависимости от характера взаимодействия между молекулой адсорбата и адсорбентом адсорбция принято подразделять на физическую адсорбцию и хемосорбцию.

Явление адсорбции было открыто в 1785 году Товием Егоровичем Ловицем (1757 – 1804). Уроженец Германии, всё своё научное творчество связал исключительно с Россией. Ловиц наблюдал поглощение веществ из растворов углём. Это первое фундаментальное открытие в отечественной химии. В 1928 году отечественный учёный Пётр Александрович Ребиндер (1898 – 1972) совершил открытие, которое сам назвал как «эффект адсорбционного понижения прочности твёрдого тела, находящегося в напряжённом состоянии, вследствие обратимой адсорбции на его поверхности частиц из окружающей среды». Эффект Ребиндера имеет большое практическое значение. Именно им объясняется хрупкое разрушение металлов, растрескивание стёкол, керамики, горных пород, твёрдых полимерных материалов в присутствии воды, органических растворителей или других жидкостей. Этот эффект может приносить значительный вред, но может быть и полезным: он облегчает обработку металлов резанием, бурение твёрдых горных пород, измельчение руды перед её переработкой. Дмитрий Иванович Менделеев предполагал, что первой стадией катализа служит адсорбция исходных веществ на поверхности гетерогенного катализатора.

Большой адсорбционной способностью обладает активированный уголь.

Таблетки активированного угля способны адсорбировать газы, соли тяжелых металлов, токсины и т. д.

Специальная обработка значительно увеличивает адсорбирующую поверхность угля.

Адсорбционная способность угля обеспечивается его пористостью. Чем больше пор, тем больше поверхность угля и тем больше адсорбционная способность. Обычно поры древесного угля частично заполнены различными веществами, что снижает его адсорбционную способность. Для усиления адсорбции, уголь подвергают специальной обработке – нагревают в струе водяного пара, чтобы освободить его поры от загрязняющих веществ. Обработанный таким образом уголь называется активированным.

Активированный уголь широко применяется для очистки сахарного сиропа от примесей, придающих ему желтоватый цвет, для очистки растительных масел и жиров. В медицине таблетки из активного угля используют для удаления вредных веществ из организма. Активированный уголь применяется в противогазах для поглощения отравляющих веществ. Фильтрующий противогаз созданный Н. Д. Зелинским, использовался в мировой войне 1914-1918гг. , что позволило спасти жизни десяткам тысяч людей.

Проанализировав литературные источники, мы пришли к выводу, что экспериментальное изучение адсорбции представляет интерес, т. к. это явление в школьной программе почти не изучается.

1. 2. Количественное определение адсорбции.

Изучение адсорбции уксусной кислоты на активированном угле основано на определении концентрации раствора до контакта с адсорбентом С0 и после наступления адсорбционного равновесия С. Количество адсорбированной кислоты рассчитывается по формуле:

ν =V(C0 – C), где V – объём раствора, из которого идёт адсорбция, дм3.

Тогда удельная адсорбция: а = ν / m = V(C0 – C) / m, (1) где а – количество вещества, адсорбированного одним граммом адсорбента; m – масса адсорбента, г.

После определения адсорбции из серии растворов различной концентрации строится график изотермы адсорбции в координатах «а – с».

Согласно адсорбционной теории Лэнгмюра все участки поверхности адсорбента считаются однородными, энергия адсорбции всех молекул одинакова, молекулы, ударяющиеся об адсорбированные молекулы, отражаются без задержки.

Адсорбция растворов на твёрдом адсорбенте – самый сложный вид адсорбции, т. к. надо учитывать взаимодействие между молекулами растворителя и растворённого вещества и сложное строение поверхности твёрдого адсорбента.

1. 3. Сущность метода нейтрализации.

Титрование – это постепенное прибавление рабочего раствора известной концентрации к анализируемому раствору. Основной реакцией метода нейтрализации является реакция нейтрализации, которая происходит при взаимодействии кислот с основаниями и выражается уравнением:

Этот метод применяется для количественного определения кислот и щелочей. В методе нейтрализации в качестве индикаторов применяют вещества, изменяющие свою окраску в зависимости от изменения концентрации ионов водорода в растворе. Так как цвет раствора зависит от цвета ионов и недиссоциированных молекул, то в качестве индикаторов применяют слабые органические кислоты или основания, у которых цвет недиссоциированных молекул отличается от цвета ионов.

Если индикатор – слабая кислота, то её формулу можно обозначить через HInd. Такой индикатор распадается на ионы по схеме:

При прибавлении к раствору кислоты индикатор находится в недиссоциированном состоянии вследствие влияния одноимённого иона

Н+. Так что цвет индикатора в достаточно кислой среде соответствует окраске его недиссоциированных молекул HInd. По мере титрования кислоты щёлочью в растворе уменьшается концентрация ионов водорода, следовательно, возрастает количество диссоциированных молекул индикатора. Этим объясняется изменение окраски раствора при титровании.

Титровать растворы – значит определять объёмы, в которых они эквивалентны между собой. Расчёт концентрации исследуемого раствора проводится по формуле:

Ск = Сщ Vщ / Vк , где (2)

Сщ – концентрация титрованного раствора щёлочи, моль/ дм3

Vк – объём кислоты, взятый на титрование, см3

Vщ – объём щёлочи, затраченный на титрование, см3

Расчёт концентрации кислоты по результатам титрования проводится на основании закона эквивалентности.

Для титрования выбран индикатор фенолфталеин, т. к. слабая кислота титруется сильной щёлочью, и в конце титрования образуется раствор калиевой соли титруемой кислоты, который вследствие гидролиза этой соли имеет щелочную реакцию, в которой отчётливо видно появление окраски:

СН3СОО─ + Н2О → СН3СООН + ОН─

2. 1. Методика исследования.

Приборы и реактивы.

1). Технические весы.

2). Фарфоровая ступка.

3). Конические колбы на 100 см3 – 15 шт.

4). Мерная колба на 25 см3 –

5). Бюретка для титрования на 25 см3.

6) Градуированные пипетки на 2, 5, 10 и 25 см3.

7). Водный раствор уксусной кислоты СН3СООН (0,5 моль/дм3).

8). Водный раствор гидроксида калия КОН (0. 01 моль/дм3).

10). Фильтровальная бумага.

11). Активированный уголь.

Ход работы. Активированный уголь измельчают в фарфоровой ступке так, чтобы не было зёрен крупнее 1 мм, и не образовывалась излишне тонкая пыль. На технических весах берут 5 навесок около 0,3 г каждая.

Каждую навеску всыпают в отдельную коническую колбу на 100 см3. Затем последовательно готовят 5 растворов уксусной кислоты: в мерную колбу на 25 см3 вливают 1 см3 уксусной кислоты С = 0,5 моль/дм3, доводят объём колбы до метки дистиллированной водой и перемешивают. Для приготовления второго раствора в мерную колбу вносят 2,5 см3 исходного раствора СН3СООН ( С = 0,5 моль/дм3), доводят водой до метки и перемешивают. Для приготовления третьего раствора в мерную колбу вносят 5 см3 исходного раствора, четвёртого – 10 см3, пятого – 25 см3.

Каждый из приготовленных растворов переносят в одну из конических колб с навеской угля и оставляют на 40 минут, взбалтывая содержимое колб через каждые 5 минут. По истечении 40 минут адсорбции растворы уксусной кислоты фильтруют. Концентрацию уксусной кислоты после адсорбции определяют титрованием щёлочью КОН (С = 0,01 моль/дм3) с использованием индикатора фенолфталеина методом нейтрализации.

При этом идёт процесс:

СН3СООН + КОН → СН3СООК + Н2О

Титруют до устойчивой розовой окраски.

2. 2. Обработка экспериментальных данных.

1. Расчёт концентрации пяти приготовленных растворов уксусной кислоты:

С0 = Сисх. Vисх. / Vм. к. , где Vисх. – объём исходного раствора уксусной кислоты (таблица), см3;

Сисх. = 0,5 моль/дм3; Vм. к. – объём мерной колбы, равный 25 см3

2. Расчёт концентрации уксусной кислоты после адсорбции по формуле (2).

3. Расчёт удельной адсорбции по формуле (1).

Исходные данные и результаты эксперимента.

Номер пробы 1 2 3 4 5

Объём исходного раствора СН3СООН Сисх= 0,5 моль/дм3, взятый для приготовления растворов для адсорбции 1,000 2,500 5,000 10,000 25,000

Концентрация приготовленных растворов СН3СООН до адсорбции, С0, моль/дм3 0,020 0,050 0,100 0,200 0,500

Объём пробы раствора, взятый на титрование, после адсорбции 10,000 10,000 5,000 5,000 2,000

Расход щёлочи на титрование после адсорбции, Vщ, см3 1,000 2. 000 1,500 11,000 30,000

Навеска угля, г 0,310 0,340 0,350 0. 350 0,360

Концентрация СН3СООН после адсорбции С, моль/дм3 0,001 0,002 0,003 0,022 0,150

Адсорбция а, моль/г х 10─2 0,153 0,353 0,693 1,271 2,431

и Изотерма адсорбции

При количественном определении адсорбции нами установлено:

1. Изотерма адсорбции имеет «классическую» форму изотермы Лэнгмюра .

2. Адсорбция зависит от концентрации адсорбата только в некоторых низких пределах концентрации, т. к. молекула уксусной кислоты состоит из полярной части ( ─ СООН ) и неполярного радикала (СН3─), и, согласно представлениям Лэнгмюра, полярная группа остаётся в воде, а неполярный радикал втягивается в неполярную фазу. При этом происходит ограничение размеров поверхностного слоя, образуется так называемый мономолекулярный слой.

3. Активированный уголь является хорошим адсорбентом на границе раздела фаз твёрдое тело – жидкость при небольших концентрациях уксусной кислоты.

4. Активированный уголь, изготовленный на ОАО «Ирбитский химико-фармацевтический завод», может применяться для адсорбции водных растворов уксусной кислоты.