Работа 19. Исследование связи между поверхностным натяжением и адсорбцией

Перед началом работы измерительный капилляр, сосудик, рабочие колбы (5 на 100 мл – для первого потока; 6 на 100 мл и 6 на 50 мл - для второго) и пипетки (на 50 мл; на 50 и 25 мл для разных потоков, соответственно) тщательно промывают хромовой смесью, водопроводной водой и дистиллированной водой. Делают это следующим образом.

В сосудик до половины наливают хромовой смеси (5-7 мл), опускают туда капилляр так, чтобы шарик капилляра был полностью погружен в жидкость, и оставляют стоять, а в это время моют колбы. В одну из колб наливают небольшое количество хромовой смеси. Этим объемом ополаскивают внутри все колбы, переливая хромовую смесь из одной колбы в другую, и в конце сливая ее в керамический стакан для слива. Из этого стакана в пипетку грушей засасывают хромовую смесь так, чтобы уровень жидкости на 2 см был выше метки, и осторожно через носик пипетки выливают хромовую смесь назад в керамический стакан. После этого выливают из сосудика хромовую смесь в стакан для слива, а из капилляра выдувают ее туда же при помощи груши.

Затем всю посуду промывают 20 раз водопроводной водой. Пипетки, сосудик и колбы ополаскивают дистиллированной водой и одну колбу на 100 мл – для задачи – ставят в сушильный шкаф. Капилляр промывают от хромовой смеси сразу дистиллированной водой с помощью водоструйного насоса. Для этого шланг от насоса надевают на капилляр, погружают его в стакан с дистиллятом и просасывают через капилляр 500 мл воды. Следует отметить, что малейшие загрязнения (например, прикосновение рукой) частей капилляра и сосудика, соприкасающихся с изучаемой жидкостью, приводят к неправильным результатам.

Рис. 16-19.1, 16-19.1а. Установка для измерения поверхностного натяжения методом

наибольшего давления пузырьков.

Для измерения поверхностного натяжения методом наибольшего давления пузырьков целесообразно пользоваться прибором, разработанным академиком П.А. Ребиндером (рис. 16-19.1). Исследуемую жидкость наливают в термостатированный сосудик (1) с боковым отростком, в который опускают капилляр (2) таким образом, чтобы он только касался поверхности жидкости, но не был погружен в нее (см. рис. 16-19.1а). Боковой отросток соединяется с аспиратором – устройством для создания разрежения в сосудике – герметичным стеклянным цилиндром, разрежение воздуха в котором создается за счет вытекающей из него воды; при этом происходит просасывание воздуха через кончик капилляра в жидкость с образованием пузырьков. С системой соединен водяной манометр (4), позволяющий определять максимальное давление в пузырьке по разности уровней воды в обоих коленах манометра (Dh = h₁ + h₂).

Ознакомившись с устройством прибора, определяют константу капилляра K по дистиллированной воде. Для этого наливают в сосуд немного воды и погружают туда капилляр так, чтобы он только касался поверхности жидкости, но не был погружен в нее (см. рис. 16-19.1а). При этом пробка с капилляром должна быть плотно вставлена в сосудик.

Далее сосуд помещают в термостат и соединяют с аспиратором, внимательно следя за тем, чтобы уровень воды в аспираторе находился между двумя метками, а в соединительных шлангах не было ни капли воды. Во время измерений аспиратор должен быть плотно закрыт пробкой; воду в аспиратор следует доливать только при помощи воронки, поскольку наличие воды в соединительных шлангах приводит к неправильным показаниям манометра. Скорость вытекания воды из аспиратора регулируют таким образом, чтобы число пузырьков воздуха, проходящих через капилляр, не превышало 5-8 в минуту; при большей скорости равновесные условия не достигаются, и результаты измерений оказываются неправильными.

Отсчет наибольшей величины Dh, отвечающей максимальному давлению в пузырьке воздуха, производят при помощи лупы по зеркальной шкале манометра таким образом, чтобы отражение глаза наблюдателя в зеркале было на уровне мениска. Записывают показания обоих колен манометра и берут их сумму: Dh = h₁ + h₂. Затем вычисляют константу капилляра , причем выполняют эти измерения три раза, каждый раз заново заполняя сосудик водой. В нашем случае результаты всех трех измерений совпали, и единственная константа капилляра оказалась равна 1.373. Вычисленные константы (с хорошей сходимостью) показывают лаборантам. От того, насколько качественно определена константа капилляра, зависит успех дальнейшей работы.

Далее в 4 пронумерованные колбы на 100 мл (№№ 2-5) (5 – для второго потока (№№ 2-6)) пипеткой наливают по 50 мл дистиллированной воды. После этого в сухую остывшую колбу на 100 мл (№ 1) – которую Вы после мытья поставили в сушильный шкаф – получают задачу, водный раствор ПАВ. Затем отбирают пипеткой 50 мл исходного раствора из колбы с задачей и добавляют его в колбу с водой (№ 2), выдувая грушей содержимое из носика пипетки. Перемешивают полученный раствор, продувая грушей воздух через пипетку, носик которой погружен в жидкость. Далее отбирают 50 мл полученного раствора этой же пипеткой и добавляют в следующую колбу с водой (№ 3). Хорошо перемешивают полученный раствор, отбирают 50 мл полученного раствора и так далее до тех пор, пока не получают 5 растворов (6 – для второго потока), включая исходный.

Таким образом, в результате последовательного разбавления получили колбы с растворами, разбавленными в 2, 4, 8, 16 (32 – для второго потока) раза, соответственно. Измерения поверхностного натяжения начинают с самого разбавленного раствора, которому соответствует колба с наибольшим номером (№ 5 – для первого потока и № 6 – для второго). Перед измерением сосуд с капилляром тщательно промывают исследуемым раствором – в сосудик наливается жидкость, с помощью груши ее засасывают в шарик капилляра и выдувают в раковину. Эту процедуру повторяют 12-15 раз.

После чего наливают в сосуд немного исследуемого раствора и погружают туда капилляр так, чтобы он только касался поверхности жидкости, но не был погружен в нее (см. рис. 16-19.1а). Измеряют наибольшую величину Dh для исследуемого раствора аналогично измерениям при определении константы капилляра - снимают показания обоих колен манометра и берут их сумму: Dh = h₁ + h₂, только измерения для раствора проводят один раз. Затем вычисляют значения поверхностного натяжения исследуемого раствора s₅₍₆₎ со всеми получившимися константами . Каждое значение s обязательно проверяется в лаборантской; следующий раствор, с большей концентрацией ПАВ, измеряется только после того, как было принято значение s для предыдущего раствора.

Закончив измерения серии растворов, необходимо вылить остатки рабочих растворов в раковину, сполоснуть колбы водопроводной водой, залить сосудик с капилляром дистиллированной водой и получить в лаборантской данные об исследуемом ПАВ – исходную концентрацию C, молекулярную массу М, плотность d (в нашем случае эти величины равны 0.6 М, 74.08 и 0.8 г/мл, соответственно).

Студенты, обучающиеся на втором потоке, продолжают работу, изучая адсорбцию на границе раздела раствор ПАВ – твердый адсорбент (активированный уголь). Для этого в каждую из шести колб на 50 мл насыпают по 1 г адсорбента – активированного угля; при этом необходимое количество угля отмеряют пробиркой, насыпая уголь до метки. Затем пипеткой на 25 мл отбирают самый разбавленный раствор и переносят его в одну из колб с углем. Ставят на колбе тот же номер (№ 6), что и на колбе, из которой был взят раствор. Переходят к более концентрированному раствору и повторяют вышеуказанную операцию. Таким образом заливают все колбы с углем, плотно закрывают пробками, встряхивают и оставляют в шкафу, на подписанном месте, до следующего занятия. Вместе с колбами оставляют сосудик с капилляром, предварительно промытый дистиллированной водой и полностью, до верха, заполненный ею.

Через неделю необходимо измерить поверхностное натяжение растворов ПАВ после адсорбции, начиная с самого разбавленного раствора (колба № 6 на 50 мл). Полученные данные по каждому раствору обязательно проверяются в лаборантской. Если на первом занятии Вы не успели закончить измерения поверхностного натяжения растворов ПАВ до адсорбции, то схема измерения будет следующая: самый разбавленный раствор 1/32 (колба № 6 на 50 мл) после адсорбции, самый разбавленный раствор 1/32 (колба № 6 на 100 мл) до адсорбции, 1/16 (колба № 5 на 50 мл) после адсорбции, 1/16 (колба № 5 на 100 мл) до адсорбции, 1/8 (колба № 4 на 50 мл) после адсорбции, 1/8 (колба № 4 на 100 мл) до адсорбции, 1/4 (колба № 3 на 50 мл) после адсорбции, 1/4 (колба № 3 на 100 мл) до адсорбции, 1/2 (колба № 2 на 50 мл) после адсорбции, 1/2 (колба № 2 на 100 мл) до адсорбции, исходный раствор (колба № 1 на 50 мл) после адсорбции, исходный раствор (колба № 1 на 100 мл) до адсорбции. Таким образом, при переходе к следующему раствору, концентрация ПАВ будет расти, а значения s уменьшаться.

Закончив измерения, необходимо вылить остатки рабочих растворов вместе с углем в соответствующую емкость, сполоснуть колбы водопроводной водой, залить сосудик с капилляром дистиллированной водой и получить в лаборантской данные об исследуемом ПАВ – исходную концентрацию С, молекулярную массу М, плотность d (в нашем случае эти величины равны 0.6 М, 74.08 и 0.8 г/мл, соответственно).

Полученные экспериментальные данные и результаты вычислений заносят в таблицу 16-19.1. Величины адсорбции рассчитывают по формуле , где , Ds = s_i+1 – s_i, DC = C_i+1 – C_i. Эти данные используют для построения зависимости поверхностного натяжения от концентрации ПАВ в растворе (рис. 16-19.2) и изотермы адсорбции (рис. 16-19.3), откладывая по оси абсцисс значения концентрации С (М) и С_ср (М), а по оси ординат – величины поверхностного натяжения s (эрг/см²) и Г (моль/см²), соответственно.

Таблица 16-19.1.

С, М	Dh, мм	s, эрг/см2 (мН/м)	DС, М	- Ds, эрг/см2 (мН/м)		Cср, М	, моль/см2	, см2/л
		72.75
0.019		68.65	0.019	4.1	218.7	0.009	0.83	11.3
0.038	49.5	65.0	0.019	3.65	194.7	0.028	2.21	12.7
0.075		59.27	0.037	5.73	152.8	0.056	3.47	16.2
0.15		52.0	0.075	7.27	96.9	0.113	4.40	25.5
0.3	31.5	43.25	0.15	8.75	58.3	0.225	5.30	42.5
0.6		34.1	0.3	9.15	30.5	0.450	5.54	81.2

Рис. 16-19.2. Изотерма поверхностного натяжения.

Для нахождения величины предельной адсорбции и константы k уравнения адсорбции Лэнгмюра, преобразуют уравнение так, чтобы получить уравнение прямой, деля С на обе части уравнения. После сокращения получают уравнение прямой, не проходящей через начало координат .

Рис. 16-19.3. Изотерма адсорбции Лэнгмюра.

Величину определяют по углу наклона прямой: . Построив график (рис. 16-19.4), находят соответствующие катеты и вычисляют . По отрезку, отсекаемому прямой на оси ординат, можно найти константу k. В нашем случае моль/см² и , откуда . При этом уравнение адсорбции Лэнгмюра имеет вид .

Рис.16-19.4. Определение константы уравнения адсорбции Лэнгмюра.

Далее, зная величину предельной адсорбции , можно вычислить площадь А, занимаемую одной молекулой в поверхностном слое, и толщину поверхностного слоя d. В нашем случае = 2.7^.10^-15 см² и см.

Во второй части работы при изучении адсорбции ПАВ на поверхности твердого адсорбента для всех приготовленных растворов были измерены величины поверхностного натяжения s_x после сорбции. Значения C_x, концентрацию ПАВ после адсорбции, находят графически из зависимости поверхностного натяжения от концентрации (см. рис. 16-19.2), опуская перпендикуляр из точки, соответствующей s_x, на ось абсцисс. По формуле , где V – объем раствора (0.025 л) и m – масса адсорбента (1 г), находят величину адсорбции, отнесенную к единице массы адсорбента. Полученные экспериментальные данные и результаты вычислений заносят в таблицу 16-19.2.

Таблица 16-19.2.

С, М	s, эрг/см2 (мН/м)	sx, эрг/см2 (мН/м)	Cx, М	С – Сx, М	, ммоль/г
0.6	34.1	37.7	0.45	0.15	3.75
0.3	43.25	47.34	0.19	0.11	2.75
0.15	52.0	59.04	0.08	0.07	1.75
0.075	59.27	64.0	0.04	0.035	0.88
0.038	65.0	68.7	0.02	0.018	0.45
0.019	68.65	71.34	0.01	0.009	0.22

Эти данные используют для построения изотермы адсорбции на границе раздела твердое тело – жидкость, откладывая по оси абсцисс значения концентрации С_x (М), а по оси ординат – количество вещества, адсорбированное одним граммом угля (ммоль/г). Подобная зависимость приведена на рис. 16-19.5.

Рис.16-19.5. Изотерма адсорбции на границе раздела твердое тело – жидкость.

Если предел адсорбции не достигнут, что может быть в случае высокопористых адсорбентов или при малой растворимости адсорбируемого вещества, в качестве предельного принимают наибольшее значение . Далее вычисляют величину удельной поверхности адсорбента S (см²/г) – суммарную площадь поверхности, отнесенную к единице массы адсорбента. В нашем случае .