Определение активности углей по теплоте смачивания

 

Цель: Ознакомиться с методом определения активности угля

Приборы и оборудования: Прибор Балезина — Фельдта; два термо- метра со шкалой от —10 до +50°C с делениями через 0,1 градуса; стакан вместимостью 200 мл; два стакана вместимостью 300 мл; фарфоровая ступка с пестиком; древесный уголь (уголь-сырец); толуол; раствор мети- ленового синего 1:1000; активные угли: торфяной, косточковый, марки АГ (активный гранулированный), животный, активные угли других марок.

 

Теоретические сведения

Адсорбция сопровождается убылью поверхностной энергии (∆G < 0). При этом происходит и уменьшение энтропии (∆S < 0), так как при ограничении положения адсорбированных молекул тонким поверхностным слоем, происходит потеря некоторых степеней свободы адсорбируемых молекул и в результате увеличивается порядок в системе. Из уравнения Гиббса

∆Gадсорбции = ∆Надсорбции – Т ∆Sадсорбции

следует, что изменение энтальпии адсорбции (∆Hадсорбции) должно быть также отрицательной величиной, а теплота адсорбции (Qадсорбции) - положительной величиной. Таким образом, адсорбция является всегда экзотермическим процессом.

Количество тепла, выделяемое при адсорбции одного моля вещества, называют молярной теплотой (энтальпией) адсорбции. Тепловые эффекты в процессе адсорбции свидетельствуют о взаимодействии между адсорбентом и адсорбтивом.

По характеру связей между адсорбированными частицами и частицами поверхности различают физическую и химическую адсорбцию. Первая обусловлена силами межмолекулярного взаимодействия (силами Вандер Ваальса). При этом адсорбированные молекулы, атомы сохраняют свои химические свойства. С повышением температуры усиливается процесс десорбции, а с понижением температуры превалирует процесс адсорбции. То есть физическая адсорбция является обратимой.

Порядок выполнения работы

Определение теплоты смачивания угля при помощи термометра.

Стакан вместимостью 200 мл наполняют углем-сырцом; высыпают всю пробу в фарфоровую ступку и растирают ее в порошок. Берут два

стеклянных стакана вместимостью 300 мл, в один из них всыпают испытуемую пробу угля так, чтобы заполнить приблизительно треть стакана, а в другой наливают толуол в том же количестве. При помощи термометров убеждаются в том, что температура содержимого стаканов одинакова. Допускается разница в температурах не более 0,3 градуса.

Быстро выливают толуол в стакан с углем и, тщательно размешивая массу, следят за подъемом температуры. Размешивание массы заканчивают,когда прекратится повышение температуры.

О качестве полученного угля судят по разности между начальной и конечной температурой: если повышение температуры достигло 7 градусов, и более, то испытуемый уголь считается высококачественным; если температура повысилась в пределах 4—7 градуса - уголь среднего качества; наконец, если повышение температуры менее 3,5 градуса - уголь плохой.

Таким же образом испытывают и активированные угли других марок.

 

Контрольные вопросы

1.Почему адсорбция процесс самопроизвольный?

2.Что нужно сделать для того, чтобы обычные угли превратить в активированные?

3.Почему по теплоте смачивания можно судить об активности углей?

 

Лабораторная работа № 7

Изучение адсорбции уксусной кислоты на поверхности угля в зависимости от концентрации при постоянной температуре

 

Цель: Количественно изучить характер зависимости адсорбции уксусной кислоты на поверхности угля в зависимости от концентрации при постоянной температуре.

Оборудование и оборудования: Аппарат для встряхивания растворов в колбах; весы; конические колбы вместимостью 250 мл; мерные колбы вме- стимостью 100 мл; две бюретки вместимостью 25 мл; пипетки вместимо- стью 25 и 10 мл, воронки для фильтрования, фарфоровая ступка.

Теоретические сведения

Адсорбция на границе твердого тела раствора в общем похожа на адсорбцию газа на поверхности твердого тела. Но в данном случае явление адсорбции сильно усложняется наличием третьего компонента – растворителя. Молекулы растворителя тоже могут адсорбироваться на поверхности адсорбента и, следовательно, могут составлять конкуренцию молекулам адсорбтива. Кроме того, адсорбция на границе твердое тело – раствор усложняется взаимодействием молекул адсорбтива с молекулами растворителя.

При рассмотрении адсорбции из раствора различают два случая: адсорбцию неэлектролита (адсорбируются молекулы адсорбтива) и адсорбцию электролитов, когда избирательно адсорбируется один из ионов электролита.

Адсорбционная способность зависит от природы растворителя, адсорбента и адсорбтива, температуры и концентрации.

При адсорбции из раствора молекулы адсорбтива и растворителя являются конкурентами, то, очевидно, что чем хуже адсорбируется растворитель на адсорбенте, тем лучше будет адсорбироваться растворенное вещество.

Критерием адсорбируемости вещества (растворителя или растворенного вещества) на поверхности твердого тела может быть его поверхностное натяжение. Как известно, ПАВ обладают малым поверхностным натяжением. Поэтому, чем больше поверхностное натяжение самой среды (растворителя), тем меньше молекулы растворителя способны к адсорбции на твердом теле и тем лучше на нем адсорбируется растворенное вещество (ПАВ). Адсорбция ПАВ на поверхности твердого тела обычно хорошо идет из водных растворов и много хуже из растворов органических растворителей, имеющих сравнительно малое собственное поверхностное натяжение.

Другим критерием пригодности растворителя в качестве среды для адсорбции является теплота смачивания этим растворителем адсорбента. Чем больше теплота смачивания, тем больше энергетическое взаимодействие растворителя с адсорбентом и тем менее пригодной средой для адсорбции является данный растворитель. Таким образом, можно сформулировать общее правило: если взятый растворитель плохо смачивает твердую поверхность адсорбента, то адсорбция растворенного

вещества из такого растворителя будет велика.

 

Порядок выполнения работы

 

Из исходного раствора уксусной кислоты готовят растворы с молярной концентрацией (моль/л): 0,2 М; 0,1 М; 0,05 М; 0,025 М. Для этого из бюретки предварительно промытой водой и исходной кислотой отберите в пронумерованные мерные колбы следующие объемы раствора 0,8 М уксусной кислоты: 25 мл; 12,5 мл; 6,2 мл и 3,1 мл (с точностью 0,05 мл). В колбы добавляют дистиллированную воду и доводят объем раствора до метки, раствор тщательно перемешивают. В четыре конические колбы отмеряют по 50 мл приготовленного раствора кислоты, в каждую колбу вносят по 1г предварительно растертого в ступке угля. Растворы с углем тщательно перемешивают или помещают на качалку для встряхивания на 15 - 20 минут, затем оставляют стоять примерно на 30 минут, периодически встряхивая для ускорения достижения адсорбционного равновесия. Пока идет процесс адсорбции определяют концентрацию исходного раствора уксусной кислоты (Сисх.) Для этого в конические колбы для титрования отмеряют по 10 мл исходного раствора и титруют раствором NаОН с концентрацией 0,1 моль/л в присутствии фенолфталеина. Определяют средний объем щелочи пошедший на титрование и рассчитывают исходную концентрацию кислоты:

С (СН3СООН)= С (NaOH) ⋅V (NaOH)

По истечении времени адсорбции суспензию угля отфильтровывают в конические колбы через фильтры, смоченные водой. Первые порции фильтратов (5 – 10 мл) отбрасывают, так как в них концентрация кислоты может быть понижена за счет адсорбции кислоты фильтровальной бумагой. Кон- центрацию кислоты (Сравн.) в отфильтрованном растворе определяют так же как и исходную концентрацию кислоты.

Исходную и равновесную концентрации раствора уксусной кислоты в растворе (до и после адсорбции) рассчитывают по формуле:

 

С (сн соон) = С (NaOH) ⋅ V (NaOH); V (cн3 соон)

Затем находят удельную адсорбцию кислоты для каждого раствора кислоты:

ν (х) = [С (исх.) − С (равн.)] ⋅V (р − ра) ⋅103, (ммоль/г)

 

где С(исх.) и С(равн.) – исходная и равновесная концентрация уксусной кислоты (до и после адсорбции), моль/л; m – масса угля,г; V(р-ра) объем раствора из которого адсорбировали кислоту, л.

На основе результатов опыта и расчетов, представленных в таблице 5

строят график изотермы адсорбции Г = f [С(равн.)].

Для определения констант уравнения Фрейндлиха β и 1/n находят значения логарифмов Г и С(равн.) и строят график линейной формы изотер- мы в координатах lgГ - lg С(равн.). Графически определяют константы и определяют область применимости уравнения Фрейндлиха к данному виду адсорбции.

 

№ раствора	С(равн.), моль/л	Г,ммоль/л	lgС(равн.)	lgГ	lgГ (расчет.)	lg С(равн.). (расчет.)

 

Для установления области применимости уравнения Фрейндлиха к данному виду адсорбции подставляют найденные константы 1/n и 1g β в линейную форму уравнения изотермы:

1g Г= 1g β + 1/n 1g С

и вычисляют величину 1g Г для 5 – 6 значений равновесных концентраций кислоты (концентрации берут из графика Г = f(С) в широком интервале концентраций). Полученные расчетные величины 1g Г наносят на график

1g Г = f(1g С).

Для области, где найденные точки дают линейную зависимость, уравнение Фрейндлиха применимо.

 

Контрольные вопросы

1. Какие факторы влияют на адсорбцию?

2. В чем различие изотермы уравнений Ленгмюра и Фрейндлиха?

3. Как экспериментально определить тип адсорбции?

4. В чем сущность графического метода определения констант в уравнении Фрейндлиха?

Лабораторная работа № 8