Физикалық ЖӘне коллоидтық химия



бет11/12
Дата07.12.2019
өлшемі1,52 Mb.
#53158
1   ...   4   5   6   7   8   9   10   11   12
Байланысты:
1 fiz himiy lab gumjstar


Зертханалық жұмыс №11
АДСОРБЦИЯ
Адсорбция дегеніміз заттардың беткі қабатындағы концентрациясының өзгеруі.

Бетінде адсорбция жүретін заттар адсорбент, ал адсорбцияланатын зат адсорбтив деп аталады. Адсорбцияны (г) мына формуламен өрнектейді:

Г = Х / S ( 1 )

мұндағы: Х-адсорбтив саны, S-адсорбентінің бетінің ауданы.

Физикалық, химиялық адсорбция болады.

Физикалық адсорбция. Әрекеттесудің вандер ваальстік күші бойынша сіңеді. Қайтымдылығымен температураны көтергенде адсорбция төмендеуімен, стехиометриялық қатынастың болмауымен ерекшеленеді. Физикалық адсорбция өздігінен жүреді.

Химиялық адсорбция кезінде адсорбциялық күш табиғаты химиялық бағыт алады. Хемосорбция қайтымсыз болады. Оның жылу эффектісі химиялық қосылыс түзілу энергиясына жақын. Адсорбция төмендегі фазалар бойынша жүруі мүмкін:

1) газ-қатты дене

2) ерітінді-қатты дене

3) газ-ертінді

Қатты зат – газ шекарасындағы адсорбция Ленгмюр теориясына бағынады, ол төмендегі қалпынан тұрады:

1. Адсорбция локализациялы (адсорбтив молекуласы адсорбенттің беткі қабаты мен араласа алмайды және химиялық құбылысқа жақын күшпен әсер етеді).

2. Адсорбтивтің молекуласын адсорбциялау активтілік орталығында жүреді.

3. Активтілік орталығы күш өрісінің өте қанықпағандығымен ерекшеленеді.

4. Әрбір активтілік орталығының әрекеттесу радиусы кіші және қанығуға бейім болады.

5. Адсорбцияланған молекулалар активтілік орталығында ұсталып тұрады және белгі бір уақыт аралығында ғана.

6. Адсорбцияланған молекулалар арасындағы әрекеттесу күші есептелмейді.

Қатты дене – газ шекарасындағы адсорбция мына теңдеумен өрнектеледі:



 (2)

мұндағы: Г – адсорбент массасының бірлігінің мольмен алынған адсорбциясы.

Гmaxадсорбцияның максимал мөлшері,

С – тепе-теңдік концентрациясы,

А – тұрақты шама, адсорбция мен диссорбция жылдамдығының қатынасына тең. Бұл теңдеу Ленгмюрдың адсорбция изотермасының теңдеуі деп аталады.

Адсорбцияланған заттың мөлшерінің оның концентрациясына тәуелділігі графикпен көрсетіледі.



С
Сурет 1 – Қатты зат–газ шекарасындағы Лэнгмюр адсорбциясының изотермасы.

Лэнгмюр дамытқан ұсыныс адсорбцияның нақты бейнесін жеңілдетеді. Адсорбенттердің беті көпшілігінде біртекті емес, адсорбцияланған бөлшектер арасында өзара әрекеттесі болғандықтан адсорбция мономолекулярлық қабат түзуіне шек қойылмайды. Г.Фрейндлих еріген заттың массасы адсорбент массасының бірлігіне тең дәрежеге теңестірілген тепе-теңдік концентрациясына пропорционал екендігін ұсынды.



Бұлай болмағанда, еріген зат концентрациясы көп болған сайын бетке адсорбциялану көбейе береді, бірақ пропорционалдық тура емес, экспоненциалдық бағыт алуы қажет. Бұл жағдай эмпирикалық теңдеумен өрнектеледі:

(3)

мұндағы: X -мольмен алынған адсорбцияланған зат мөлшері,

m – адсорбент кг алынған,

Ср – ертіндідегі зат концентрациясы,

k – және 1/n – константалар. k және 1/n константаларының мәндерін табу үшін Фрейндлихтің теңдеуін логарифмдеу жолымен түзу теңдеуіне айналдырамыз.

lg X/m = lg k + 1/n lgCp (4)


lgX/m=f(lgCp) тәуелділігі түзу сызықпен кескінделген және кесінді ординатасын кесіп өтетін иілудің тангенс бұрышы 1/n болатын мәні lgK-ға тең. 2-суретте Фрейндлих теңдеуіне бағынатын изотерма келтірілген.
lgX/m

lgК


lgCp

Сурет 2 – Фрейндлихтің адсорбция изотермасының логарифмдік пішіні.

Фрейндлих теңдеуі зат молекулалық түрде адсорбцияланғанда диссоциацияланбаған немесе аз диссоциацияланған жағдайда қолдануға тиімді. Молекулалық адсорбция еріген заттың табиғатына, құрылысына және адсорбенттің бетінің табиғатына, еріткіштің табиғатына байланысты қайтымды болады және температура өскен сайын әлсірейді.



Сұйық – газ шекарасындағы адсорбция.

Беттік еркін энергия F беттің өнімімен S беттік керілуге (σ) тең:


F = σ ∙ S (5)
Сондықтан беттік еркін энергия тек беттің S азаюына ғана байланысты емес, сонымен қатар ертіндінің құрамын өзгеруге ұшырататын беттік керілудің арсына әкеліп соғады. Адсорбцияланған заттың концентрациясының беттік керілуге байланыстылығы Гиббс теңдеуі бойынша өрнектеледі:
(6)
мұндағы: Г – 1м3 ауданға келетін адсорбцияланған зат мөлшері,

R – универсал газ тұрақтысы,

Т – абсолюттік температура,

С – концентрация (кмоль/м3)

σ – беттік берілу (Н/м)
С

Сурет 3 – Сұйық-газ шекарасындағы Гиббс адсорбциясының изотермасы.


(5) теңдеудің әрекеттік барысы өнімнің белгісіне dσ/dС екенін көреміз. dσ/dС өрнегі беткі қабаттағы заттың жинақталуына сәйкес келеді (оң адсорбция), ал +dσ/dС–беттік қабаттағы заттың азаюын көрсетеді (теріс адсорбция).

dσ/dс өлшемін беттік активтілік деп атайды. 3 суретте Гиббс адсорбциясының изотермасы кескінделген.


Жұмысты орындау реті
Приборлар мен реактивтер:

1). Техникалық таразы.

2). Фарфор келі.

3). Конусты колбалар 100 см3 – 15 дана.

4). Өлшеуіш колба 25 см3 – 1дана.

5). Титрлеу үшін бюретка 25 см3.

6). Пипеткалар 2, 5, 10 және 25 см3.

7). Сірке қышқылының сулы ерітіндісі СН3СООН (0,05 моль/дм3).

8). Калий гидроксидінің сулы ерітіндісі КОН (0,01 моль/дм3).

9). Фенолфталеин.

10). Фильтр қағазы.

11). Активтелген көмір.


Адсорбцияны сандық анықтау.

Активтелген көмірде сірке қышқылының адсорбциясын зерттеу ерітінді концентрациясын адсорбентпен байланысқа түскенге дейін С0 және адсорбциялық тепе-теңдік орнағаннан кейін С анықтауға негізделген. Адсорбцияланған қышқылдың мөлшерін келесі теңдеу бойынша есептейді:


ν =V(C0 – C)
мұндағы V – адсорбция жүретін ерітінді көлемі, дм3.

Олай болса, меншікті адсорбция:


а = ν / m = V(C0 – C) / m, (7)
мұндағы а – бір грамм адсорбентпен адсорбцияланған заттың мөлшері; m –адсорбент массасы, г.

Әртүрлі концентрациядағы адсорбция анықталғаннан кейін «а–с» координаталарындағы адсорбция изотермасының графигі тұрғызылады. Лэнгмюрдің адсорбциялық теориясына сәйкес адсорбент бетінің барлық бөлімі біртекті болып саналады, барлық молекулалардың адсорбция энергиясы бірдей болады.



Қатты адсорбенттегі ерітінділер адсорбциясы – өте күрделі адсорбцияның түрі, яғни еріткіш молекулалары мен еріген зат молекулаларының арасындағы әрекеттесулерді және қатты адсорбент бетінің күрделі құрылысын ескеру қажет.

Бейтараптану әдісінің пайда болуы

Титрлеу – бұл зерттелетін ерітіндіге белгілі концентрациядағы жұмыс ерітіндісін біртіндеп қосу. Қышқыл мен сілті арасында жүретін бейтараптану әдісінің негізгі реакциясы мына теңдеумен өрнектеледі:


Н+ + ОН = Н2О
Бұл әдіс қышқыл мен сілтілерді сандық анықтау үшін қолданылады. Бейтараптану әдісінде индикатор ретінде ерітіндідегі сутек иондары концентрациясының өзгеруімен өзінің түсін өзгертетін заттар қолданылады. Ерітіндінің түсі иондардың түсіне және диссоциацияланбаған молекулаларға байланысты болғандықтан, индикатор ретінде диссоциацияланбаған молекулалары иондар түсінен ажыратылатын әлсіз органикалық қышқылдар немесе негіздер қолданылады.

Егер индикатор – әлсіз қышқыл болса, онда оның теңдеуін Hind арқылы өрнектеуге болады. Мұндай индикатор келесі схема бойынша иондарға ыдырайды:

HInd ↔ H+ + Ind
Ерітіндіге қышқыл қосқанда индикатор аттас Н+ иондардың әсерінен диссоциацияланбаған күйде болады. Олай болса, индикатордың түсі қышқыл ортада оның диссоциацияланбаған молекулаларының Hind түсіне сәйкес болады. Қышқылды сілтімен титрлеу барысында ерітіндіде сутек иондарының концентрациясы азаяды, сәйкесінше, индикатордың диссоциацияланған молекулаларының мөлшері артады. Бұл арқылы титрлеу барысынды ерітіндінің түсінің өзгеруі түсіндіріледі.

Ерітіндіні титрлеу – өзара бір-бірімен эквивалентті көлемдерді анықтау. Зерттелетін ерітінді концентрациясын есептеу келесі теңдеу арқылы өрнектеледі:

Сқ = Сс Vс / Vқ , мұндағы (8)
Сс – титрленген сілті ерітіндісінің көлемі, моль/ дм3

Vқ – титрлеуге алынған қышқыл көлемі, см3

Vс – титрлеуге жұмсалған сілті көлемі, см3

Титрлеу нәтижесі бойынша қышқыл концентрациясын есептеу эквиваленттер заңына сәйкес жүргізіледі.

Титрлеуге фенолфталеин индикаторы алынды, яғни әлсіз қышқыл күшті сілтімен титрленеді және титрлеу соңында қышқылмен титрленетін калий тұзының ерітіндісі түзіледі, осы тұздың гидролизі барысында сілтілік реакцияны көрсетеді және нақты түс пайда болады:
СН3СОО + Н2О → СН3СООН + ОН
Зерттеу әдістемесі.

А) Активтелген көмірді фарфор келіде өлшемдері 1 мм кем емес етіп ұсақтайды, осы кезде артық ұсақ шаңдар түзілмеуі қажет. Техникалық таразыда әрқайсысы 0,3 г болатын 5 түрлі салмақтағы көмірді өлшеп алады.

Әр массаны жеке-жеке 100 см3–ты конусты колбаға салады. Содан соң сірке қышқылының 5 ерітіндісін дайындайды: 25 см3–ты өлшеуіш колбаға 1 см3 сірке қышқылын С=0,05 моль/дм3 құйып, колбаның белгісіне дейін дистилденген су құйып, араластырады. Екінші ерітіндіні дайындау үшін өлшеуіш колбаға 2,5 см3 бастапқы ерітіндіні СН3СООН (С=0,05 моль/дм3) құйып, белгіге дейін су құйып араластырады. Үшінші ерітіндіні дайындау үшін өлшеуіш колбаға 5 см3 бастапқы ерітіндіні құяды, төртіншіге – 10 см3, бесіншіге – 25 см3.

Әрбір дайындалған ерітіндіні көмірі бар конусты колбаға көшіріп, 40 минутқа қояды, әрбір 5 минут сайын колбаны араластырып отырады. 40 минут адсорбциядан соң сірке қышқылының ерітінділерін фильтрлейді. Сірке қышқылының концентрациясын адсорбциядан кейін фенолфталеин индикаторын қолданып, бейтараптау әдісі арқылы сілтімен КОН (С=0,01 моль/дм3) тирлеу арқылы анықтайды.

Осы кезде жүретін процесс:


СН3СООН + КОН → СН3СООК + Н2О
Тұрақты қызғылт түске дейін титрлейді.
Б) Эксперимент нәтижелерін өңдеу.

1.Сірке қышқылы ерітіндісінің бес түрлі концентрациясын дайындауды есептеу:

С0 = Сбаст.Vбаст./ Vө.к.
мұндағы Vбаст. – сірке қышқылы ерітіндісінің бастапқы концентрациясы см3;

Сбаст. = 0,05 моль/дм3; Vө.к.өлшеуіш колба көлемі, 25 см3 –ке тең.

2. (8) теңдеу бойынша адсорбциядан кейінгі сірке қышқылының концентрациясын есептеу.

3. (7) теңдеу бойынша меншікті адсорбцияны есептеу.


Кесте 1- Бастапқы мәліметтер мен эксперимент нәтижелері.


Сынамалар нөмірі

1

2

3

4

5

Адсорбция үшін ерітінділер дайындауға алынған бастапқы ерітінді көлемі СН3СООН

Сбаст = 0,05 моль/дм3, Vбаст, см3


1,000

2,500

5,000

10,000

25,000


Адсорбцияға дейінгі дайындалған СН3СООН ерітінділер концентрациялары, С0, моль/дм3
















Адсорбциядан кейінгі титрлеуге алынған сынама ерітінділер көлемі Vқ, см3

10,000

10,000

5,000

5,000

2,000


Адсорбциядан кейінгі титрлеуге қажет сілті шығыны, Vс, см3
















Көмірдің салмағы, г

0,310

0,340

0,350

0.350

0,360

Адсорбциядан кейінгі СН3СООН концентрациясы С, моль/дм3
















Адсорбция а, моль/г х 10─2

















В) Кестелік мәндерге сүйене отырып, концентрация «С* 10-3 моль-л» мен адсорбция «а *10-2 моль-г» арасында график тұрғызу. Орындалған жұмыс бойынша қорытынды жасау.
«АДСОРБЦИЯ» ТАҚЫРЫБЫНА ТИПТІК ЕСЕПТЕР ШЫҒАРУ.
1-мысал. Фрейндлихтің адсорбция изотермасы теңдеуіндегі тұрақтыны (К және 1/n) төмендей берілгендер бойынша есептеу:

Адсорбент өлшемі, кг

Адсорбцияға дейінгі СН3СООН конц-сы

Адсорбц-ң кейінгі СН3СООН конц-ы

Қышқыл қосылды, м3

0,65*10-3

0,58*10-3

0,57*10-3


0,5522

0,1586


0,1248

0,5129

0,1413


0,1096

2,5*10-5

2,5*10-5

2,5*10-5


Шешуі: Фрейндлих теңдеуіндегі тұрақтыны анықтау үшін

lg Х/m=lgK+l/n lgCp.

lg X/m = f(lgCp) тәуелді графигін құру қажет. Осы шамаларды есептейміз:

Х = ( С1- Ср ) ∙V, сонда

X 1 = ( 0,5522 – 0,5129 ) ∙ 2,5∙ 10-5 = 9,82∙10-6

X 2 = ( 0,1586 –0,1413 ) ∙ 2,5∙ 10-5 = 4,32∙10-6

X 3 = ( 0,1248 – 0,1096 ) ∙2,5∙10-3 = 3,80 ∙10-6

lg x1/m1 = lg 15,07∙10-3 = 1,1781 – 3 = – 1,8219


lg x2/m2 = lg7,45 ∙10 -3 = 0,8722 – 3 = – 2,1278

lg x3/m3 = lg6,68∙10-3= 0,8248 – 3 = – 2,1752

lgCIp = lg 0,5129 = – 0,2999

lgCII p = lg 0,1413 = – 0,8495

lgCIII p = lg 0,1096 = – 0,9602 .

Осы шамаларды (2-сурет) графикке түсіре отырып, Фрейндлих теңдеуіндегі К және l/n тұрақтысын табамыз:

Х/m = К∙Ср1/n

Кесінді ОА=0,35=lgK; K=2,24

OA/OB=tgα=1/n=0,35:0,55=0,63

Фрейндлихтің теңдеуіндегі тұрақты K=2,24; 1/n=0,63


2-мысал. 6∙10-3кг палладий сиясының беті 240 м2 екендігі есептелген. 1∙10-5кг палладий сиясы 1∙10-5м3 газ тәрізді сутегін жұтады. Сутегінің бір молекуласы алатын ауданды есептеп шығару керек.

Шешуі: 1∙10-3 кг сияның ауданын табамыз:



Қалыпты жағдайда 1∙10-5м3 сутегідегі молекула:





  1. молеула алатын ауданы  құрайды.

«АДСОРБЦИЯ» ТАҚЫРЫБЫНА БАҚЫЛАУ СҰРАҚТАРЫ.


1. Адсорбция дегеніміз не?

2. Сұйық-газ, қатты дене-газ, қатты дене-ертінді шекарасындағы адсорбция.

3. Гиббс, Ленгмюр, Фрейндлихтің адсорбция изотермиялары туралы айту.

4. Айырбас адсорбция деген не? Айырбас адсорбция изотермасы. Аниониттер мен катиониттердің қолданылуы.

5.Хромотографиялық адсорбцияның мәні неде? жіктеу, ион алмасу және тұнбалы хромотографиясы.

6. Адсорбция құбылысының іс жүзіндегі қолданылуы.



Достарыңызбен бөлісу:
1   ...   4   5   6   7   8   9   10   11   12




©engime.org 2024
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет