Изучение адсорбции водных растворов уксусной кислоты на активированном угле

По определению, данному Большой Советской Энциклопедией, адсорбция - поглощение какого-либо вещества из газообразной среды или раствора поверхностным слоем жидкости или твёрдого тела. Явление адсорбции тесно связано с особыми свойствами вещества в поверхностном слое. Например, молекулы, лежащие на поверхности раздела фаз жидкость — пар, втягиваются внутрь жидкости, т. к. испытывают большее притяжение со стороны молекул, находящихся в объёме жидкости, чем со стороны молекул пара, концентрация которых во много раз меньше концентрации жидкости. Это внутреннее притяжение заставляет поверхность сокращаться и количественно характеризуется поверхностным натяжением. Вещество, на поверхности которого происходит адсорбция, называется адсорбентом, а поглощаемое из объёмной фазы — адсорбатом. В зависимости от характера взаимодействия между молекулой адсорбата и адсорбентом адсорбция принято подразделять на физическую адсорбцию и хемосорбцию.

Явление адсорбции было открыто в 1785 году Товием Егоровичем Ловицем (1757 – 1804). Уроженец Германии, всё своё научное творчество связал исключительно с Россией. Ловиц наблюдал поглощение веществ из растворов углём. Это первое фундаментальное открытие в отечественной химии. В 1928 году отечественный учёный Пётр Александрович Ребиндер (1898 – 1972) совершил открытие, которое сам назвал как «эффект адсорбционного понижения прочности твёрдого тела, находящегося в напряжённом состоянии, вследствие обратимой адсорбции на его поверхности частиц из окружающей среды». Эффект Ребиндера имеет большое практическое значение. Именно им объясняется хрупкое разрушение металлов, растрескивание стёкол, керамики, горных пород, твёрдых полимерных материалов в присутствии воды, органических растворителей или других жидкостей. Этот эффект может приносить значительный вред, но может быть и полезным: он облегчает обработку металлов резанием, бурение твёрдых горных пород, измельчение руды перед её переработкой. Дмитрий Иванович Менделеев предполагал, что первой стадией катализа служит адсорбция исходных веществ на поверхности гетерогенного катализатора.

Большой адсорбционной способностью обладает активированный уголь.

Таблетки активированного угля способны адсорбировать газы, соли тяжелых металлов, токсины и т. д.

Специальная обработка значительно увеличивает адсорбирующую поверхность угля.

Адсорбционная способность угля обеспечивается его пористостью. Чем больше пор, тем больше поверхность угля и тем больше адсорбционная способность. Обычно поры древесного угля частично заполнены различными веществами, что снижает его адсорбционную способность. Для усиления адсорбции, уголь подвергают специальной обработке – нагревают в струе водяного пара, чтобы освободить его поры от загрязняющих веществ. Обработанный таким образом уголь называется активированным.

Активированный уголь широко применяется для очистки сахарного сиропа от примесей, придающих ему желтоватый цвет, для очистки растительных масел и жиров. В медицине таблетки из активного угля используют для удаления вредных веществ из организма. Активированный уголь применяется в противогазах для поглощения отравляющих веществ. Фильтрующий противогаз созданный Н. Д. Зелинским, использовался в мировой войне 1914-1918гг. , что позволило спасти жизни десяткам тысяч людей.

Проанализировав литературные источники, мы пришли к выводу, что экспериментальное изучение адсорбции представляет интерес, т. к. это явление в школьной программе почти не изучается.

1. 2. Количественное определение адсорбции.

Изучение адсорбции уксусной кислоты на активированном угле основано на определении концентрации раствора до контакта с адсорбентом С0 и после наступления адсорбционного равновесия С. Количество адсорбированной кислоты рассчитывается по формуле:

ν =V(C0 – C), где V – объём раствора, из которого идёт адсорбция, дм3.

Тогда удельная адсорбция: а = ν / m = V(C0 – C) / m, (1) где а – количество вещества, адсорбированного одним граммом адсорбента; m – масса адсорбента, г.

После определения адсорбции из серии растворов различной концентрации строится график изотермы адсорбции в координатах «а – с».

Согласно адсорбционной теории Лэнгмюра все участки поверхности адсорбента считаются однородными, энергия адсорбции всех молекул одинакова, молекулы, ударяющиеся об адсорбированные молекулы, отражаются без задержки.

Адсорбция растворов на твёрдом адсорбенте – самый сложный вид адсорбции, т. к. надо учитывать взаимодействие между молекулами растворителя и растворённого вещества и сложное строение поверхности твёрдого адсорбента.

1. 3. Сущность метода нейтрализации.

Титрование – это постепенное прибавление рабочего раствора известной концентрации к анализируемому раствору. Основной реакцией метода нейтрализации является реакция нейтрализации, которая происходит при взаимодействии кислот с основаниями и выражается уравнением:

Н+ + ОН─ = Н2О

Этот метод применяется для количественного определения кислот и щелочей. В методе нейтрализации в качестве индикаторов применяют вещества, изменяющие свою окраску в зависимости от изменения концентрации ионов водорода в растворе. Так как цвет раствора зависит от цвета ионов и недиссоциированных молекул, то в качестве индикаторов применяют слабые органические кислоты или основания, у которых цвет недиссоциированных молекул отличается от цвета ионов.

Если индикатор – слабая кислота, то её формулу можно обозначить через HInd. Такой индикатор распадается на ионы по схеме:

HInd ↔ H+ + Ind─

При прибавлении к раствору кислоты индикатор находится в недиссоциированном состоянии вследствие влияния одноимённого иона

Н+. Так что цвет индикатора в достаточно кислой среде соответствует окраске его недиссоциированных молекул HInd. По мере титрования кислоты щёлочью в растворе уменьшается концентрация ионов водорода, следовательно, возрастает количество диссоциированных молекул индикатора. Этим объясняется изменение окраски раствора при титровании.

Титровать растворы – значит определять объёмы, в которых они эквивалентны между собой. Расчёт концентрации исследуемого раствора проводится по формуле:

Ск = Сщ Vщ / Vк , где (2)

Сщ – концентрация титрованного раствора щёлочи, моль/ дм3

Vк – объём кислоты, взятый на титрование, см3

Vщ – объём щёлочи, затраченный на титрование, см3

Расчёт концентрации кислоты по результатам титрования проводится на основании закона эквивалентности.

Для титрования выбран индикатор фенолфталеин, т. к. слабая кислота титруется сильной щёлочью, и в конце титрования образуется раствор калиевой соли титруемой кислоты, который вследствие гидролиза этой соли имеет щелочную реакцию, в которой отчётливо видно появление окраски:

СН3СОО─ + Н2О → СН3СООН + ОН─

Глава 2.

Практическая часть.

2. 1. Методика исследования.

Приборы и реактивы.

1). Технические весы.

2). Фарфоровая ступка.

3). Конические колбы на 100 см3 – 15 шт.

4). Мерная колба на 25 см3 –

5). Бюретка для титрования на 25 см3.

6) Градуированные пипетки на 2, 5, 10 и 25 см3.

7). Водный раствор уксусной кислоты СН3СООН (0,5 моль/дм3).

8). Водный раствор гидроксида калия КОН (0. 01 моль/дм3).

9). Фенолфталеин.

10). Фильтровальная бумага.

11). Активированный уголь.

Ход работы. Активированный уголь измельчают в фарфоровой ступке так, чтобы не было зёрен крупнее 1 мм, и не образовывалась излишне тонкая пыль. На технических весах берут 5 навесок около 0,3 г каждая.

Каждую навеску всыпают в отдельную коническую колбу на 100 см3. Затем последовательно готовят 5 растворов уксусной кислоты: в мерную колбу на 25 см3 вливают 1 см3 уксусной кислоты С = 0,5 моль/дм3, доводят объём колбы до метки дистиллированной водой и перемешивают. Для приготовления второго раствора в мерную колбу вносят 2,5 см3 исходного раствора СН3СООН ( С = 0,5 моль/дм3), доводят водой до метки и перемешивают. Для приготовления третьего раствора в мерную колбу вносят 5 см3 исходного раствора, четвёртого – 10 см3, пятого – 25 см3.

Каждый из приготовленных растворов переносят в одну из конических колб с навеской угля и оставляют на 40 минут, взбалтывая содержимое колб через каждые 5 минут. По истечении 40 минут адсорбции растворы уксусной кислоты фильтруют. Концентрацию уксусной кислоты после адсорбции определяют титрованием щёлочью КОН (С = 0,01 моль/дм3) с использованием индикатора фенолфталеина методом нейтрализации.

При этом идёт процесс:

СН3СООН + КОН → СН3СООК + Н2О

Титруют до устойчивой розовой окраски.

2. 2. Обработка экспериментальных данных.

1. Расчёт концентрации пяти приготовленных растворов уксусной кислоты:

С0 = Сисх. Vисх. / Vм. к. , где Vисх. – объём исходного раствора уксусной кислоты (таблица), см3;

Сисх. = 0,5 моль/дм3; Vм. к. – объём мерной колбы, равный 25 см3

2. Расчёт концентрации уксусной кислоты после адсорбции по формуле (2).

3. Расчёт удельной адсорбции по формуле (1).

Результаты эксперимента

Таблица.

Исходные данные и результаты эксперимента.

Номер пробы 1 2 3 4 5

Объём исходного раствора СН3СООН Сисх= 0,5 моль/дм3, взятый для приготовления растворов для адсорбции 1,000 2,500 5,000 10,000 25,000

Vисх, см3

Концентрация приготовленных растворов СН3СООН до адсорбции, С0, моль/дм3 0,020 0,050 0,100 0,200 0,500

Объём пробы раствора, взятый на титрование, после адсорбции 10,000 10,000 5,000 5,000 2,000

Vк, см3

Расход щёлочи на титрование после адсорбции, Vщ, см3 1,000 2. 000 1,500 11,000 30,000

Навеска угля, г 0,310 0,340 0,350 0. 350 0,360

Концентрация СН3СООН после адсорбции С, моль/дм3 0,001 0,002 0,003 0,022 0,150

Адсорбция а, моль/г х 10─2 0,153 0,353 0,693 1,271 2,431

Изотерма адсорбции.

и Изотерма адсорбции

Заключение.

При количественном определении адсорбции нами установлено:

1. Изотерма адсорбции имеет «классическую» форму изотермы Лэнгмюра .

2. Адсорбция зависит от концентрации адсорбата только в некоторых низких пределах концентрации, т. к. молекула уксусной кислоты состоит из полярной части ( ─ СООН ) и неполярного радикала (СН3─), и, согласно представлениям Лэнгмюра, полярная группа остаётся в воде, а неполярный радикал втягивается в неполярную фазу. При этом происходит ограничение размеров поверхностного слоя, образуется так называемый мономолекулярный слой.

3. Активированный уголь является хорошим адсорбентом на границе раздела фаз твёрдое тело – жидкость при небольших концентрациях уксусной кислоты.

4. Активированный уголь, изготовленный на ОАО «Ирбитский химико-фармацевтический завод», может применяться для адсорбции водных растворов уксусной кислоты.