Адсорбция на границе твердое тело-раствор

Молекулярная адсорбция. Неэлектролиты и слабые электролиты на поверхности адсорбента адсорбируются из растворов в виде молекул. Такой процесс называют молекулярной адсорбцией.

В результате адсорбции концентрация растворенного вещества в растворе уменьшается.

Л. А. Ребиндер сформулировал правило выравнивания полярностей: на полярных адсорбентах лучше адсорбируются полярные адсорбтивы из малополярных растворителей; на неполярных адсорбентах – неполярные адсорбтивы из полярных растворителей.

Для системы адсорбент – адсорбтив влияние природы растворителя на адсорбцию может быть сформулировано в виде другого правила (правило Шилова): чем лучше растворяется адсорбтив в растворителе, тем он хуже адсорбируется поверхностью твердого адсорбента; чем хуже растворяется – тем лучше адсорбируется.

Малополярные адсорбенты, например, активированный уголь, лучше адсорбируют неполярные органические соединения, причем тем больше, чем выше их молекулярная масса.

Полярные адсорбтивы лучше адсорбируются на поверхности ионных кристаллов. На поверхности адсорбентов, являющихся оксидами (силикагель, окись алюминия и др.), как правило, имеются гидроксильные группы, поэтому они хорошо адсорбируют воду, спирты, амины и другие полярные соединения.

Как известно, адсорбция экзотермична, а поэтому с повышением температуры уменьшается. Однако если растворимость адсорбтива в данном растворителе падает с ростом температуры, то адсорбция из раствора твердым адсорбентом может увеличиваться.

С ростом концентрации раствора адсорбция на границе раздела твердое тело – раствор возрастает до предельного значения. Для экспериментально наблюдаемой изотермы используют уравнения Фрейндлиха и Ленгмюра.

При адсорбции ПАВ на границе раздела твердое тело – раствор так же, как и на границе раствор – газ, имеет место пространственная ориентация молекул адсорбата.

В системе полярный адсорбент - неполярный растворитель молекулы адсорбтива-ПАВ полярной частью обращены к поверхности адсорбента, а неполярная их часть погружена в растворитель. В случае системы неполярный адсорбент – полярный растворитель, наоборот, неполярная часть молекулы обращена к поверхности адсорбента, а полярная часть погружена в растворитель.

В качестве примера можно привести поведение дифильного вещества по отношению к неполярному адсорбенту – активированному углю в полярной среде – воде. В таких условиях молекулы дифильной природы будут адсорбироваться на поверхности угля, ориентируясь по отношению к нему своими гидрофобными участками. Напротив, те же молекулы в неполярном растворителе, бензоле, адсорбируются на полярном адсорбенте (силикагеле SiO₂), связываясь с адсорбентом полярными участками молекул.

В системе полярный растворитель – малополярный адсорбент – адсорбция ПАВ подчиняется правилу Дюкло-Траубе.

При адсорбции ПАВ из неполярных растворителей полярными адсорбентами выполняется обращенное правило Дюкло-Траубе: с ростом длины радикала адсорбция уменьшается. Обращение правила объясняется тем, что с ростом углеводородной цепи растворимость ПАВ в неполярных растворителях увеличивается.

Закономерности распределения веществ между раствором и твердой фазой важны для понимания процессов обмена веществ. Законы распределения твердого вещества между неполярной фазой липидного слоя биомембран и полярной фазой – внутри- и межклеточной жидкостью – управляют поступлением питательных веществ и удалением продуктов метаболизма. С явлением адсорбции на клеточных мембранах из полярных биосред организма связано физиологическое действие многих лекарств (барбитураты, анестезирующие средства и др.) и токсическое действие ОВ (например, иприта и люизита). Существует специальный механизм окисления неполярных или малополярных чужеродных для организма веществ (ксенобиотиков), в результате чего эти вещества приобретают полярные группировки и их способность адсобироваться на липидных мембранах падает. В итоге они переходят в водную фазу, откуда уже могут покинуть организм с выделениями.

Молекулярная адсорбция твердыми адсорбентами из растворов широко распространена в медицинской практике. Уже давно при отравлениях растительными ядами, токсинами, малополярными лекарствами (например, барбитуратами) применяют активированный уголь для их удаления из пищеварительного тракта. В настоящее время осуществляют сорбционную детоксикацию крови и лимфы больного пропусканием их через активированный уголь. Гемо- и лимфосорбция позволяют удалить из организма токсичные органические жидкости (например, дихлорэтан и другие галогенопроизводные), фосфорорганические соединения и др. Адсорбцию используют для очистки питьевой воды и сточных вод.

Цель работы:

1. Познакомиться с методом определения неизвестной концентрации раствора уксусной кислоты методом кислотно-основного титрометрического анализа.

2. Изучить процесс адсорбции на границе жидкой и твердой фазы.

3. Построить изотерму адсорбции.

4. Определить константы в уравнении Фрейндлиха.

Оборудование и реактивы:

10 конических колб на 250 мл, пипетка на 10 мл, бюретка на 25 мл, цилиндр на 200 мл, 5 воронок для фильтрования, фильтровальная бумага, активированный уголь, раствор уксусной кислоты (CH₃COOH), 0,1М раствор NaOH, фенолфтолеин.

Указания к работе:

1. Приготовить серию растворов CH₃COOH методом разбавления.

2. Определить исходную и равновесную концентрацию при адсорбции на активированном угле для каждого из растворов.

3. Построить графики изотермы адсорбции в обычных и логарифмических координатах.

4. Определить коэффициент уравнения Фрейндлиха.

Описание работы

Из исходного раствора кислоты готовят растворы различной концентрации путём разбавления его вдвое. Для этого берут 5 колб, нумеруют их. В первую и вторую колбы наливают по 50 мл исходного раствора кислоты. Оставляют первую колбу, а в оставшиеся 4 наливают по 50 мл дистиллированной воды. Содержимое второй колбы (50 мл кислоты + 50 мл воды) взбалтывают. После этого 50 мл раствора из второй колбы добавляют в следующую третью колбу, хорошо перемешивают содержимое третьей колбы как при получении второго раствора. Потом 50 мл из этой колбы переносят в четвертую, и так до тех пор, пока не получат пять растворов. Из последней, пятой колбы, 50 мл раствора кислоты вылить.

К 50 мл каждого полученного раствора добавить по 500 мг адсорбента (угля). Интенсивно взболтать и оставить стоять в течение 30 минут, чтобы установилось равновесие. Встряхивать растворы каждые 3-5 минут. Приготовить 5 сухих колб с воронками, в которые поместить фильтры. Растворы после установления равновесия отфильтровать, отбрасывая первые порции фильтрата. Фильтрат оттитровать 0,1М раствором NaOH с фенолфталеином. Для титрования брать порцию фильтрата, равную 10 мл. Титровать каждый раствор 2-3 раза.

Время адсорбции используют для определения концентрации исходной кислоты посредством титрования её раствором NaOH. Концентрацию кислоты вычисляют, использую реакцию CH₃COOH + NaOH = СH₃COONa + H₂O. Полное химическое превращение реагентов достигается при смешивании равных количеств вещества, т.е. их эквивалентов. При взаимодействии вещества CH₃COOH и NaOH условием их полного превращения в продукты реакции является равенство n (CH₃COOH) = n (NaOH). В случае произвольных концентраций соотношение объемов растворов реагентов выражается соотношением (, откуда )

,

т.е. обратно пропорциональна этим концентрациям.

Соотношение носит название закона эквивалентов и широко используется в титриметрическом анализе для определения молярных концентраций.

Титриметрический анализ основан на точном измерении объемов растворов веществ, вступающих в химическую реакцию. Наиболее распространенным методом титриметрического анализа является титрование – медленное прибавление раствора с точно известной концентрацией реагента (титранта) к исследуемому раствору до достижения эквивалентности. Момент окончания титрования фиксируется по изменению какой-либо характеристики (например, цвета) титруемого раствора.

Полученные при титровании данные записывают в протокол опыта. Вычисляют количество вещества (в ммоль), находящегося в 50 мл раствора до и после адсорбции. Следует заметить, что до адсорбции оттитровывают только исходный раствор, а содержание вещества в более разбавленных растворах вычисляют посредством уменьшения в 2 раза количества вещества, содержащегося в 50 мл предыдущего раствора. Полученные данные записывают в таблицу.

Дата добавления: 2015-07-24