|
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;
Nа - 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 | X2 | 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 | X2 | 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; просмотров: 191 | Нарушение авторских прав
<== предыдущая лекция | | | следующая лекция ==> |
Министерство образования и науки Российской Федерации | | | по теме „ Роль московских туристов в региональном развитии города Кашина. Анализ и перспективы“ |