Определение адсорбции на границе раздела «Твёрдое вещество жидкость

Определение адсорбции на границе раздела «Твёрдое вещество жидкость»»

Цель работы: Практически провести опыт, демонстрирующий адсорбирующиеся свойства активированного угля.

Теоретическая часть:

Поверхностное явление - это совокупность явлений, обусловленных особыми свойствами тонких слоёв вещества на границе соприкосновения фаз, иначе можно сказать что происходят процессы на границе раздела фаз в межфазовом поверхностном сое, и возникающие в результате воздействия сопряжённые фазы. Эти явления обусловлены различиями между связями поверхностными атомами и молекулами. В следствии этого, атомы и молекулы в поверхностных слоях образуют особую структуру, а вещество принимает особое состояние, отличающиеся от состояния в объёме фаз различным свойствам.

Фаза - это часть гетерогенной системы, которая является однородной по химическому составу и физическим свойствам и ограниченное от остальной системы границы раздела. На границе раздела фаз, каждая фаза имеет избыток потенциальной энергии, которой является поверхностная энергия. Стремление вещества уменьшить поверхностную энергию, называется поверхностным натяжением. Поверхностное натяжение существует потому что состояние молекулы внутри фазы и на её границе различно.

Поверхностное натяжение - это величина свободной энергии Гиббса на единицу поверхности вещества. Стремление вещества уменьшить эту величину приводит к самопроизвольному сохранению границы раздела фаз.

Адгезия - это сцепление друг с другом поверхностей разных тел.

Когезия - это сцепление друг с другом поверхностей одного тела.

Работа когезии (We) - это работа, затрачиваемая на преодоление сил сцепления между молекулами однородного вещества и приводящая к возникновению двух новых поверхностей раздела фаз.

We = 2y

Работа адгезии (Wa) - это работа, затраченная на преодоление сил сцепления между молекулами 2-х разных веществ.

Wa = у_А + у_В - у_АВ

Смачивание - это явление на границе раздела жидкой и твёрдой фаз, заключающиеся в растекании жидкости по поверхности твёрдого тела, пропитывание пористых тел.

Адсорбция - это концентрирование вещества на границе раздела в результате его самопроизвольного перехода из объёма фазы.

Адсорбционное равновесие определяется притяжением молекул вещества в поверхности другой фазы и тепловым движением стремящимся восстановить равновесную концентрацию в поверхностном слое и объёме фазы.

Данный процесс описывается уравнением изотермы адсорбции Гиббса.

G_(s) = y₀ +

D_y = -cdT -

- избыточное количество вещества i - отнесённое к единичной поверхности.

- активность вещества i.

Адсорбция на твёрдой поверхности.

Основные положения теории Ленгмюра.

1. Адсорбция - это процесс локализованный, она вызвана силами близких к химическим.

2. Адсорбция - протекает не над всей поверхности адсорбента, а в активных центрах.

3. Каждый активный центр взаимодействует с одной молекулой адсорбата, в результате чего на поверхности адсорбента образуется 1 слой адсорбируемых молекул.

4. Адсорбция - процесс обратимый и равновесный.

При адсорбционном равновесии скорость адсорбции равна скорости десорбции, она пропорциональна числу ударов молекул о поверхность адсорбента.

Wa = k_a

k_a - коэффициент пропорциональности.

u - доля поверхности покрытой адсорбированными молекулами.

W_g = k_g H

k_g - коэффициент пропорциональности.

H - число молекул на 1 м² при максимальной упаковке.

Ионная адсорбция.

При адсорбции в растворах образуются различные ионы. Адсорбция может протекать по двум механизмам:

Обменная адсорбция - при этом вместо ионов, адсорбируемых из раствора твёрдой фазой, из твёрдой фазы выделяется эквивалентное количество ионов того же знака.Иониты - это высокомолекулярные вещества, при диссоциации выделяют в воду большое количество одноатомных ионов и высокомолекулярный ион противоположного знака. По типу выделяемых ионов, они делятся на 2 класса: катиониты и аниониты.

Строение образующегося двойного электрического слоя описывается теорией Штерна.

1. Поверхность твёрдой фазы адсорбирует ионы, достраивающие её кристаллическую решётку.

2. Адсорбционные силы принимают участие в образовании первого слоя противоионов (адсорбционный слой). Ионы этого слоя притягиваются к заряженной поверхности твёрдой фазы электростатическими силами, а затем адсорбируются.

3. За адсорбционным слоем образуется диффузный слой противоионов. Количество ионов в нём такое, что они полностью нейтрализуют оставляя противоположный заряд потенциал - определяющих ионов.

4. Потенциал диффузного слоя - это электрохимический потенциал коллоидной частицы.

Ход работы:

Опыт 1:

Раствор лакмуса в воде пропустим через бумажный фильтр. После фильтрования фильтрат своей окраски не изменяет, остаётся фиолетовый.

Фиолетовый раствор лакмуса пропустим через слой активированного угля. Полученный фильтрат становится бесцветный.

Вывод 1:

Активированный уголь обладает адсорбирующими свойствами, т.к. на своей поверхности адсорбирует (удерживает молекулы красителя лакмуса).

Опыт 2:

К раствору Na₂S прилили соляную кислоту.

Na₂S + 2 HCl →2NaCl + H₂S↑ (1)

В результате реакции образуется газ H₂S (сероводород), полученный газ пропустили через раствор Pb (No₃)₂, в результате реакции образуется чёрный осадок сульфида свинца (PbS↓).

Pb (NО₃)₂ + H₂S → PbS↓ (чёрный) + 2HNО₃ (2)

Полученный в первой реакции H₂S пропускаем через слой активированного угля, а затем через раствор Pb (NО₃)₂ . Чёрного осадка не образуется.

Вывод 2:

Активированный уголь адсорбирует на своей поверхности молекулы газа H₂S, поэтому образовавшийся H₂S полностью поглощается активированным углём и вторая реакция, с образование осадка не возможна.

Опыт 3:

Нагреем Pb (NО₃)₂ до образования бурого газа.

2Pb (NО₃)₂ → 2 PbО + 3О₂ + 2NO₂↑

Полученный бурый газ пропускаем через слой активированного угля. Цвет газа после прохождения через уголь, исчезает.

Вывод 3:

Активированный уголь адсорбирует на своей поверхности молекулы оксида азота NO_2.

Опыт 4:

В колбу вместительностью 1 л. Поместили 5 капель Br . Пары Br быстро заполняет весь объём колбы . Они имеют красно - бурый цвет. В колбу поместим 10 г. активированного угля , закроем пробкой и встряхнём. Цвет паров внутри колбы будет постепенно осветляться, и через 10 минут станет прозрачным.

Вывод 4:

Активированный уголь адсорбирует на своей поверхности молекулы газа Br.

Вывод: Твёрдый активированный уголь является хорошим адсорбентом и используется для очистки воды, растворов, газов и воздуха. Активированный уголь используют в фильтрующих коробках противогазов и фильтров для очистки воды.