Определение удельной поверхности адсорбента.

Определение удельной поверхности адсорбента.

В последнее время все более широкое применение в медици­не находят методы экстракорпоральной детоксикации организма, исп­ользуемые при многих патологических состояниях организма. Такие методы обработки биологических жидкостей (крови, плазмы, лимфы) основаны на способности многих веществ адсорбироваться на поверхности раздела фаз.

Адсорбция - процесс самопроизвольного концентрирования поверхностно активных веществ в поверхностном слое в результате перехода его из объема фазы.

Поверхностно активные вещества обладают двойственной ди­фильной природой. Молекулы их состоят из полярной части, хорошо взаимодействующей с водой - это группы -COOH, -COO, -OH, -SO₃H, -NH₂, и т.д. (гидрофильная часть молекулы), и неполярного углеводородного радикала (гидрофобная часть).

Поверхность раздела фаз характеризуется особым энергети­ческим состоянием атомов и молекул, находящихся на границе раз­дела. Это энергетическое состояние характеризуется избытком сво­бодной поверхностной энергии.

Граница раздела жидкость - газ характеризуется поверх­ностным натяжением. Его можно определить как частную производную любой характеристической функции по площади раздела фаз при со­ответствующих постоянных:

Все функции и параметры относятся к системе в целом.

Из данного определения следует, что

Граница раздела фаз жидкость - жидкость характеризуется межфазным натяжением, твердое - газ кристаллоповерхностным дав­лением.

Адсорбция поверхностноактивных веществ (ПАВ) приводит к снижению избытка свободной поверхностной энергии - переходу сис­темы в состояние с меньшей поверхностной энергией.

Для адсорбции наиболее часто используют твердые адсорбен­ты, и самой важной характеристикой их является удельная поверх­ность - величина поверхности раздела фаз, приходящаяся на едини­цу массы или объема адсорбента.

м²/кг или м²/м³

Наиболее распространенными методами определения удельной поверхности являются адсорбционные методы. Используя их, величи­ну поверхности, приходящуюся на единицу массы материала, вычис­ляют по количеству поглощенных этой поверхностью веществ из рас­твора или газовой фазы. Правильный расчет удельной поверхности возможен, если известно строение адсорбционных слоев.

Известны два типа адсорбции: мономолекулярная и полимо­лекулярная. В первом случае поглощаемое вещество распределяется по поверхности адсорбента, образуя слой, толщина которого не превышает размеров одной молекулы. Адсорбция по второму типу при­водит к образованию на поверхности раздела нескольких слоев ад­сорбированного вещества.

Расчет удельной поверхности по данным мономолекулярной адсорбции достаточно прост. При этом используется формула

где: - максимально возможное число моль вещества, поглощенное 1 г адсорбента;

N_а - число Авогадро;

S₀ - площадь, занимаемая одной молекулой адсорбированного вещества при максимальной упаковке молекул в адсорбционном слое.

Обычно величина S₀ приводится в справочниках.

Для нахождения величины m используют уравнение изотермы мономолекулярной адсорбции, предложенное И.Ленгмюром:

где: m - количество адсорбированного вещества при данной конце­нтрации С;

b - постоянная.

Задача эксперимента сводится к определению конкретного вида зависимости адсорбции от концентрации. Если эта зависимость установлена, то константы уравнения находят, представляя изотер­му в координатах (1/m, 1/С).Как видно из рисунка 2 в этих координатах изотерма представляет собой прямую, уравнение которой:

m 1/m

1/m_∞

C 1/C

Рис.1 Изотерма Ленгмюра Рис.2 Спрямленная изотерма

Ленгмюра.

Для вычисления адсорбции необходимо измерить концентрацию до адсорбции С₁ и после достижения адсорбционного равновесия С₂.

Расчет производят по формуле:

где: V - обьем раствора;

а - навеска адсорбента.

Способ определения концентраций С₁ и С₂ зависит от свойств адсорбируемого вещества. Например, если адсорбируются карбоновые кислоты, то наиболее просто установить их концентрацию титрованием щелочью. В случае применения радиоактивных веществ, концентрация последних устанавливается измерением радиоактивности.

Если в качестве адсорбируемого соединения используется низкомолекулярные ПАВ - спирты или карбоновые кислоты, в водных растворах которых адсорбционное равновесие устанавливается дос­таточно быстро, можно использовать для определения концентрации ПАВ измерение поверхностного натяжения.

Зависимость поверхностного натяжения от концентрации для большинства ПАВ описывается уравнением Б. Шишковского:

где: - поверхностное натяжение раствора ПАВ концентрации С;

- поверхностное натяжение чистой воды;

а, b - постоянные уравнения.

Зависимость адсорбции от поверхностного натяжения и концентрации дается уравнением Гиббса:

В данной работе удельную поверхность определяют по адсорбции уксусной кислоты активированным углем.

Порядок выполнения работы.

1. Приготовление раствора уксусной кислоты.

Используя бюретки объемом 50 - 100 мл, приготавливают в шести нумерованных конических колбах объемом 50 мл растворы уксусной кислоты различной концентрации. Растворы приготавливают в соответствии с таблицей 1.

Таблица №1

№ раствора
Объем исходного раст­вора CH3COOH мл
Объем H2O мл
Общий объем раствора мл

Из полученных растворов пипеткой Мора отбирают 25 мл и переносят в другую серию конических колб. Растворы отбирают, начи­ная с меньшей концентрации, используя одну пипетку. В растворы первой серии помещают по 1 г активированного угля (взвешивание производят на технических весах с использованием часового стекла).

Колбы, содержащие растворы с активированным углем, закрывают притертыми пробками и выдерживают в течение 1-1,5 час, периодически перемешивая. Концентрацию уксусной кислоты в исходных растворах и растворах после адсорбции определяют титрованием щелочью в присутствии фенолфталеина.

Для титрования отбирают по 5 мл раствора. (Титрование рекомендуется начинать с меньших концентраций CH₃COOH и прово­дить до 3-х сходящихся результатов). Целесообразно к раствору перед титрованием добавить по 10 мл воды и 2-3 капли фенолфтале­ина. Отбор растворов производится нумерованными пипетками Мора на 5 мл, при чем номер пипетки должен соответствовать номеру раствора. Перед началом работы всю используемую посуду необходи­мо тщательно вымыть.

Оформление работы.

Результаты работы представляют в виде следующих таблиц.

Таблица 2.

Определение концентрации уксусной кислоты до адсорбции.

№ раствора
Объем щелочи, изра­сходованной на тит­рование, мл (до 3-х сходящихся резуль­татов).
Концентрация кислоты до адсорбции С1; моль/л

Таблица 3.

Определение концентрации уксусной кислоты после адсорбции.

№ раствора
Объем щелочи, изра­сходованной на тит­рование, мл (до 3-х сходящихся резуль­татов).
Концентрация кисло­ты после адсорбции С2 моль/л

Таблица 4.

Зависимость адсорбции от концентрации уксусной кислоты.

m = m (C)

№ раствора
С2
С1 – С2
m

Адсорбцию m вычисляют по формуле:

где: V – объем исследуемого раствора мл.

Таблица 5.

Зависимость обратной адсорбции от обратной концентрации.

(Данные для спрямленной изотермы Ленгмюра).

№ раствора
1/C2
1/m

Экспериментальные данные представляют также в виде следующих графиков:

1. Зависимость адсорбции от концентрации уксусной кислоты (Изотерма Ленгмюра), m = m (C₂),

2. Спрямленная изотерма Ленгмюра (в координатах 1/m, 1/C₂) Величину m_∞ можно найти из последнего графика. Однако в связи с тем, что наблюдается значительный разброс зкспери­ментальных точек, величину вычисляют как постоянную уравнения.

С этой целью применяют метод наименьших квадратов Гаусса. В основе этого метода лежит требование, чтобы сумма квадратов погрешностей была минимальной. На основе этого требования в слу­чае, если зависимость описывается уравнением типа: y = ax + b для определения коэффициентов "a" и "b" составляется система ли­нейных уравнений:

где: - сумма всех значений величины X.

- сумма квадратов всех значений величины X.

- сумма всех значений величины Y.

- сумма всех произведений X и Y

n – число экспериментальных точек.

Решая систему этих уравнений, находят коэффициенты "a" и "b".

Применение метода поясним следующим примером:

В таблице приведены значения величины Х и соответству­ющие им значения величины Y:

№
X
Y	2,7	4,3	4,6	6,3	6,6	8,3	8,7	10,3	10,6	12,4	12,8	14,2	14,8

Для нахождения коэффициентов уравнения y = ax + b резу­льтаты необходимых расчетов приведем в виде таблицы:

X	Y	X^2	XY
	2,7		2,7
	4,3		8,6
	4,6		13,8
…	…	…	…
	12,8		140,8
	14,2		170,4
	14,8		192,8
	116,6		999,8

Для данного примера система уравнений приобретает вид:

819*a + 918 = 999,8

81*a + 14*b = 116,6

Отсюда: a = 1,0; b = 1,9

Для вычисления m составляют следующую таблицу:

№	1/С2	(1/С2)^2	1/m	(1/m)*C2
X	X^2	Y	XY

Независимой переменной Х является величина 1/ С₂, а функ­цией Y - 1/m. По полученному значению 1/m_∞ и угловому коэф­фициенту построить спрямленную изотерму Ленгмюра.

Принимая площадь, приходящуюся на одну молекулу CH₃COOH равной 2,1*10^-20 м², рассчитывают по формуле:

Вопросы для контроля и самоподготовки.

1. В каких методах экстракорпоральной обработки используется ад­сорбция?

2. Укажите методы определения адсорбции.

3. Какие вещества обладают высокой адсорбционной активностью? Каково строение их молекул?

4. Чем обусловлена адсорбция различных веществ на границе раз­дела фаз?

5. Дайте термодинамическое определение поверхностного натяжения.

6. Напишите основные уравнения, описывающие адсорбцию.

7. Как определяется значение предельной адсорбции?

8. Для чего в данной работе используется метод наименьших квад­ратов. В чем его сущность?

9. Как рассчитывается удельная поверхность исследованной в рабо­те системы?

Дата добавления: 2015-08-29