Исследование процесса адсорбции уксусной кислоты из водных растворов на активированном угле

РАБОТА   1

ИССЛЕДОВАНИЕ  ПРОЦЕССА АДСОРБЦИИ УКСУСНОЙ КИСЛОТЫ

 ИЗ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ  НА АКТИВИРОВАННОМ УГЛЕ 

 

Цель работы: Формирование навыков экспериментального изучения явления адсорбции на границе раствор – твердое тело, получение изотермы адсорбции, расчет геометрических и термодинамических характеристик.

1. Теоретическая  часть

      Адсорбция  представляет собой процесс самопроизвольного  перераспределения компонентов  системы между поверхностным  слоем и объемной фазой. Более  плотная фаза (вещество, на поверхности которого происходит адсорбция) называется адсорбентом. Адсорбент может быть твердым и жидким. Вещество, которое перераспределяется и поэтому находится обычно в газообразной или жидкой фазе, называется адсорбатом.

    В зависимости от агрегатного  состояния смежных фаз различают адсорбцию газов на твердых адсорбентах, адсорбцию растворенных веществ на границах твердое тело жидкость и жидкость – жидкость, а также адсорбцию на границе жидкий раствор – газ.

 Для количественного описания  адсорбции применяют в основном две величины. Первая измеряется числом моль или граммов, приходящихся на единицу поверхности или на единицу массы адсорбента (для порошкообразного состояния); ее принято обозначать буквой А. Вторая характеристика величины адсорбции определяется избытком вещества в поверхностном слое по сравнению с его количеством в таком же объеме фазы, также отнесенным к единице площади поверхности или единице массы

адсорбента. Эту величину называют гиббсовской адсорбцией и обозначают буквой Г.

     Величина адсорбции зависит от природы адсорбента и адсорбата, а также от концентрации (давления) адсорбата и температуры.

    Зависимость величины  адсорбции от концентрации (или  парциального давления) вещества  при постоянной температуре называется  изотермой:

                                                 А = .

   Зависимость величины  адсорбции от температуры при  постоянной концентрации (или парциальном  давлении) вещества называется изопикной  (изобарой):

                                             А = .

    Зависимость  концентрации (или парциального  давления) вещества в объеме от  температуры при постоянной величине  адсорбции называется изостерой:

                                            С =    или     Р = .

       Наиболее  распространенной зависимостью, получаемой  экспериментально, является изотерма. Другие две зависимости можно  графически построить из серии  изотерм, полученных при различных  температурах. На рис. I показано, что точки пересечения изотерм прямой, параллельной оси ординат соответствуют изопикне, а при пересечении изотерм прямой, параллельной оси абсцисс, получаются точки изостеры. По  полученным точкам строят зависимости величины адсорбции (изопикна) или концентрации (изостера) от температуры.

Рис. 1 Построение изостер 

и изопикн по изотермам.

        С термодинамической точки зрения  адсорбция является самопроизвольным  процессом выравнивания химических  потенциалов веществ в объеме системы и межфазном (поверхностном) слое. Этот процесс происходит вследствие стремления к минимуму поверхностной энергии или энергии Гиббса всей системы.

       Адсорбцию  можно рассматривать как взаимодействие  молекул адсорбата с активными центрами поверхности адсорбента. Такое рассмотрение удобно для адсорбции на твердых адсорбентах. Поверхность твердых тел как правило геометрически и химически неоднородна, и чтобы получить простейшие закономерности адсорбции, необходимо предположить, что поверхность адсорбента однородна и распределение адсорбата происходит в мономолекулярном слое. Тогда при малых концентрациях адсорбента изотерма адсорбции описывается законом Генри:

                              А = К_гС               или          А = К_гР.

    При средних  и больших концентрациях адсорбата  возникают отклонения от закона  Генри, связанные с ограниченностью  адсорбционного объема или поверхности  адсорбента, приводящей к адсорбционному  насыщению поверхности адсорбента  по мере увеличения концентрации адсорбата.

  Уравнение изотермы  адсорбции, полученное Ленгмюром,  описывает все области концентраций (парциальных давлений) адсорбата  (рис.2):

             А =             или      А = .

 где  - емкость адсорбционного монослоя или число адсорбционных центров, приходящихся на единицу поверхности или на единицу массы адсорбента; К – константа адсорбционного равновесия, характеризует энергию взаимодействия адсорбата с адсорбентом.

   Экспериментальные результаты по определению изотермы адсорбции обычно обрабатывают с помощью уравнения Ленгмюра, записанного в линейной форме:

                                  .

  Такая линейная  зависимость позволяет графически  определить оба постоянных параметра  адсорбционной изотермы (рис.3).

 

Рис.2 Изотерма адсорбции  Ленгмюра

 

Рис.3 Изотерма адсорбции  в координатах линейной формы  уравнения Ленгмюра.

 

        В области средних концентраций (парциальных давлений) изотерма адсорбции Ленгмюра подчиняется закономерности, найденной эмпирически Фрейндлихом:

                                    А = КР^1/n       и        A = KC^1/n.

  где К  и 1/n – постоянные.

      Уравнение  Фрейндлиха широко используется при обработке экспериментальных адсорбционных данных и инженерных расчетах. Чаще всего оно применяется в логарифмической форме, позволяющий построить линейную зависимость lnA = f (ln C) и графически определить оба постоянных параметра К и n (рис.4):

                            lnA = ln K + ln C.

   

 Рис. 4. Изотерма адсорбции  в координатах линейной формы  уравнения Фрейндлиха.

 

       Уравнение  Ленгмюра используется для определения  удельной поверхности адсорбентов, катализаторов и других дисперсных систем. Удельная поверхность S_уд. связана с емкостью монослоя соотношением:                             

                         S_уд. =  N_AS₀,

 где N_A – число Авогадро; S₀ –площадь, занимаемая одной молекулой адсорбанта в насыщенном адсорбционном слое.                  

     Стандартная  энергия Гиббса адсорбции связана  с константой равновесия адсорбции  из уравнения Ленгмюра соотношением: ΔG⁰ = - RTlnK.

2. Экспериментальная часть

    Приборы и реактивы: Весы технические; колбы конические, емкостью 100 мл; пипетки Мора, емкостью 10, 20, 50 мл; уголь активированный; воронки и фильтры; бюретка, емкостью 25 мл; раствор уксусной кислоты 0,1 н; стандартный раствор едкого натрия 0,1 н;  раствор фенолфталеина.

2.1. Порядок  выполнения работы

    Определяют  концентрацию исходного раствора  уксусной кислоты посредством  титрования стандартным раствором  едкого натрия в присутствии  фенолфталеина. 

Результаты титрования записывают в таблицу 1.

                                                                                               Таблица 1.

N п/п	Объем кислоты, взятой для  титрования, мл (Vк)	Объем щелочи, пошедшей на титрование, мл	Средний объем щелочи, мл (Vщ)
1	10
2	10
3	10

 

 Из исходного раствора  кислоты готовят 5 водных растворов  в соответствии с данными таблицы  2:

                                                                                                    Таблица 2

Номер колбы	Объем исходного раствора кислоты, мл	Объем добавляемой воды, мл
1	50	0
2	40	10
3	30	20
4	20	30
5	10	40

 

 Кислоту и воду  необходимо отбирать пипетками.  Берут 5 навесок предварительно  измельченного активированного  угля по 1 г. В растворы кислоты  вносят навески адсорбента и  встряхивают в течении 10 минут. Затем растворы отфильтровывают, отбирают аликвоты по 10 мл и титруют стандартным раствором щелочи. Данные заносят в таблицу 3.

                                                                                                       Таблица 3

Номер колбы	Средний объем щелочи, пошедший на титрование кислоты после  адсорбции, Vщ
1 2 3 4 5

 

2.2. Обработка  экспериментальных данных

      1. Вычислить  :            = .

2. Вычислить С_к:               С_к = .
3. Вычислить :

                                  .

4. Вычислить А:          А = .

5. Вычислить ln(C_к^.10³).                                  

6. Вычислить ln A .

7. Построить график   ln A = f (ln(C_к^.10³)).

8. Вычислить 1/n и К в уравнении Фрейндлиха графическим методом.

9. Вычислить  .

10. Вычислить  .

11. Построить график     

12. Вычислить  и K  в уравнении Ленгмюра графическим методом.

     11. Вычислить  , приняв S₀ = 0,3 ^. 10^-18 м²

     12. Вычислить ΔG^о.

     Расчетные  данные внести в таблицу 4.

Таблица 4

N п/п	ммоль/л	ммоль/л	А ммоль/г	ln( )	ln A			А	K	Sуд
1
2
3
4
5