Адсорбция уксусной кислоты на поверхности активированного угля

Явление поглощения одним веществом других веществ называется сорбцией. Сорбция в толще поглотителя называется абсорбцией. Повышение концентрации газообразного или растворенного вещества на поверхности раздела фаз, например, на поверхности раздела твердое тело – газ, твердое тело – раствор, жидкость – газ (воздух) называется адсорбцией. Газ или растворенное вещество, концентрирующееся на поверхности, называется адсорбтивом, а вещество, на поверхности которого происходит адсорбция – адсорбентом.

Различают физическую адсорбцию, когда частицы адсорбированного вещества не образуют химических связей с адсорбентом, и хемосорбцию, когда адсорбционные силы имеют химическую природу.

Адсорбция определяется природой поглощаемого вещества и поглотителя, ее величина зависит от температуры, давления поглощаемого газа, концентрации раствора, из которого осуществляется адсорбция.

Количество адсорбированного вещества пропорционально площади поверхности тела. Поэтому вещества в мелкораздробленном состоянии, имея большую поверхность, обладают значительной адсорбционной способностью. К эффективным адсорбентам можно отнести уголь, силикагель, глину, каолин, а также целлюлозу, фильтровальную бумагу, хлопчатобумажную ткань, натуральный шелк, шерсть и другие материалы.

Зависимость адсорбции от давления газа (его концентрации) или содержания адсорбируемого вещества в растворе при данной температуре может выражаться уравнением адсорбции Лэнгмюра (изотермой Лэнгмюра)

(8.1),

где Г и Г_¥ - количества адсорбированного вещества на единице поверхности адсорбента, выражаются в моль/м², Г - адсорбция в состоянии адсорбционного равновесия, Г_¥ - максимально возможная адсорбция; С - концентрация (моль/л) адсорбируемого вещества в растворе в состоянии адсорбционного равновесия (равновесная концентрация); К – константа Лэнгмюра. Изотерма адсорбции Лэнгмюра представлена на рис. 8.1.

Рис. 8.1. Изотерма адсорбции Лэнгмюра.

В некотором интервале концентраций, для не слишком разбавленных, но и не очень концентрированных растворов, адсорбция может быть описана эмпирическим уравнением Фрейндлиха:

(8.2),

где х - количество растворенного вещества, адсорбированного массой m поглотителя и находящегося в равновесии с раствором концентрации С, а и n - эмпирические константы, характерные для данного процесса адсорбции в определенных пределах, n характеризует кривизну изотермы адсорбции (рис. 8.2), обычно имеет значения от 0,1 до 0,6.

Строго говоря, количество адсорбированного вещества следует относить не к единице массы, а к единице площади поверхности, но для мелкораздробленных веществ и однородных суспензий (например, взмученный порошок активированного угля) поверхность растет пропорционально обшей массе.

Для нахождения значений эмпирических констант а и n по экспериментальным данным нужно прологарифмировать уравнение (8.2), тогда оно примет вид:

(8.3).

Полученное уравнение есть уравнение прямой линии (рис.8.3). По оси ординат откладывают величины lg(^x/_m) , а по оси абцисс – Ig C. Прямая отсекает на оси ординат отрезок, равный lg a, a n – это тангенс угла наклона полученной прямой.

Если адсорбция какого-либо вещества данным адсорбентом значительно превосходит адсорбцию других , то говорят об избирательной адсорбции. На явлении избирательной адсорбции основан хроматографический метод анализа Н.С.Цвета. Если через колонку, заполненную адсорбентом, пропускать раствор, содержащий вещества, различающиеся по адсорбируемости, а затем чистый растворитель, то в верхней части колонки будут задерживаться молекулы сильно адсорбируемого вещества, а слабо адсорбируемое будет вымываться растворителем в нижние слои. Таким образом, происходит разделение компонентов исходной смеси. Хроматографические методы анализа находят широкое применение в медико-биологических исследованиях и клинической практике. Примером может служить анализ крови на присутствие в ней алкоголя, наркотиков, летучих веществ, вызывающих токсикоманию и др.

В организме часто наблюдаются явления избирательной сорбции токсинов и других веществ различными тканями и клетками. Так, например, токсины возбудителей столбняка, ботулизма и другие поражают прежде всего клетки центральной нервной системы, при сыпном тифе поражаются преимущественно сосуды кожи, мозга и отчасти сердца.

В медицинской практике известна и так называемая адсорбционная терапия. Она заключается во введении больному адсорбентов для поглощения вредных веществ. Так часто применяют активированный уголь (карболен) для связывания ядов, токсинов, попавших в желудочно-кишечный тракт.

Цель работы.

1. Наблюдать адсорбцию на границе жидкой и твердой фаз.

2. Построить изотерму адсорбции.

3. Найти значения а и n в уравнении Фрейндлиха.

Реактивы.

· Активированный уголь (12 таблеток по 0,25 г).

· Уксусная кислота СН₃СООН, растворы с концентрациями 0,12 М, 0,05 М, 0,2 М.

· Гидроксид натрия NаОН, раствор 0,1 н.

· Фенолфталеина (индикатор), раствор.

Оборудование и посуда:

· Шесть конических колб на 50 мл.

· Бюретка на 50 или 25 мл.

· Измерительный цилиндр.

· Пипетки на 50 мл и 10 мл.

· Три воронки для фильтрования.

· Фильтровальная бумага.

Выполнение работы.

1. В пронумерованные колбы (№1, №2, №3) цилиндром наливают по 100 мл растворов уксусной кислоты концентраций 0,012 М, 0,05 М и 0,2 М соответственно.

2. В каждую колбу добавляют по 1 г предварительно растертого в ступке активированного угля (по четыре таблетки). Тщательно взбалтывают все колбы в течение 10 минут.

3. Отфильтровывают содержимое каждой колбы через бумажные фильтры в чистые пронумерованные колбы (№1’, №2^’, №3^’). Использованные колбы №1, №2, №3 моют, споласкивают дистиллированной водой.

4. В них отбирают пипеткой пробы из фильтратов: из колб №1’и №2^’ по 50 мл, из колбы №3^’ – 10 мл.

5. Пробы титруют 0,1 н раствором NаОН в присутствии фенолфталеина до бледно-розовой окраски для определения концентрации уксусной кислоты после адсорбции.

Обработка результатов.

1. Концентрацию уксусной кислоты после адсорбции С (моль/л) вычисляют по формуле

,

где 0,1 – концентрация раствора NаОН, н; V_щ – объем раствора щелочи, пошедший на титрование пробы фильтрата; V – объем фильтрата, взятый для титрования.

2. Для всех трех проб рассчитывают значения х = (С_о – С)∙0,1 (моль).

3. Далее расчитывают величину адсорбции (моль/г), где m - масса угля, взятого для адсорбции.

4. Результаты заносят в таблицу.

№ колбы	Со	С	х =(Со – С)∙0,1	lg C	lg (x/m)
1.
2.
3.

5. Строят изотерму адсорбции. Для этого результаты наносят на график, откладывая по оси абсцисс значения С (моль/л) , а по оси ординат – значения х/т (моль/г).

6. Для графического определения значений а и п в уравнении Фрейндлиха строят график зависимости lg (^x/_m) от lg C . Полученные точки должны лежать на прямой. Рассчитывают величину тангенса угла наклона прямой к оси абцисс. что дает величину п. Расстояние точки пересечения прямой с осью ординат от начала координат соответствует значению величины lg а.

Контрольные вопросы.

1. Какие явления называют сорбцией ?

2. В чем заключается разница между адсорбцией и абсорбцией, физической адсорбцией и хемосорцией ?

3. От каких факторов зависит адсорбция ?

4. Какие уравнения описывают адсорбцию ?

5. Какое значение имеют явления адсорбции для медицины?

Рис. 8.2. Изотерма адсорбции Фрейндлиха

Рис. 8.3. Логарифмическая изотерма адсорбции Фрейндлиха

РАБОТА 9