Изучение адсорбции на границе твердое тело – жидкость

Лабораторная работа №2.

Цель работы: изучение адсорбции вещества из водного раствора на твердом адсорбенте и расчет удельной поверхности адсорбента.

Приборы и реактивы: водные растворы уксусной кислоты разной концентрации, 0,01 н и 0,1 н растворы гидроксида натрия, активированный уголь, бумажные фильтры, воронки, конические колбы, бюретка для титрования.

Адсорбция – наиболее распространенное поверхностное явление, которое чаще всего заключается в увеличении концентрации вещества в поверхностном слое по сравнению с объемом фазы. Для описания адсорбции могут быть использованы две величины: абсолютная адсорбция - количество вещества в поверхностном слое, приходящееся на единицу поверхности или массы адсорбента, и гиббсовская адсорбция - избыток веществ в поверхностном слое на единицу поверхности по сравнению с его концентрацией в объеме фазы. При резко выраженной способности вещества к адсорбции и его малой объемной концентрации эти величины оказываются примерно равными, т.е. .

Зависимость адсорбции от равновесной концентрации адсорбтива при постоянной температуре носит название изотермы адсорбции.

Несмотря на то, что фундаментальное (общее) уравнение Гиббса

(2.1)

применимо к процессу адсорбции на любых границах раздела фаз, его использование на практике ограничено сложностью экспериментального определения ряда величин, прежде всего – поверхностного натяжения. Для целей аналитического описания адсорбции предложено большое количество моделей (математических выражений), адекватность которых в каждом конкретном случае определяется рядом критериев:

1 уравнение должно правильно отражать характер зависимости величины адсорбции от содержания адсорбтива в состоянии адсорбционного равновесия;

2 вычисленные с использованием уравнения постоянные величины должны быть правдоподобны;

3 используемая теория должна правильно отражать температурную зависимость адсорбции.

Часто для описания адсорбции с образованием мономолекулярного адсорбционного слоя (т.е. слоя толщиной в одну молекулу) используют теорию Ленгмюра, основные положения которой заключаются в следующем:

1 адсорбция протекает на активных центрах за счет физических сил;

2 каждый активный центр удерживает только одну молекулу, которая неспособна перемещаться по поверхности;

3 молекулы адсорбционного слоя не взаимодействуют друг с другом.

Изотерма мономолекулярной абсорбции в широком интервале концентраций может быть описана уравнением:

- для растворов,

- для паров, (2.2)

где - емкость мономолекулярного слоя или предельная величина адсорбции, представляющая собой число молей вещества, приходящихся на единицу поверхности в насыщенном адсорбционном слое;

- константа адсорбционного равновесия;

- равновесная концентрация адсорбтива в объеме фазы;

- равновесное давление паров адсорбтива в объеме фазы.

На рисунке 2.1 приведена ленгмюровская изотерма адсорбции.

Рисунок 2.1 – Изотерма мономолекулярной адсорбции

В области низких концентраций (при ) можно допустить, что , поэтому уравнение Ленгмюра приобретает вид . Произведение двух постоянных величин также является постоянным и носит название константы Генри (), а уравнение вида - уравнения Генри. Участок изотермы адсорбции, описываемый уравнением Генри, представляет собой прямой отрезок, проходящий через начало координат.

В области высоких концентраций () дробь , а уравнение Ленгмюра имеет вид , что соответствует насыщению поверхностного слоя. Участок изотермы адсорбции, отвечающий такому состоянию, представляет собой прямую, параллельную оси абсцисс (оси концентраций).

Часто процесс адсорбции на границе твердое тело-жидкость или твердое тело-газ может быть описан эмпирическим уравнением Фрейндлиха , которому на графике соответствует криволинейный участок.

Величина позволяет определить такие характеристики, как площадь (посадочную площадку) адсорбирующейся молекулы, толщину адсорбционного слоя, определяемого длиной адсорбирующейся молекулы, а также удельную поверхность адсорбента по уравнениям (2.3), (2.4) и (2.5) соответственно:

(2.3)

(2.4)

(2.5)