Мета роботи – ознайомлення студентів з класифікацією сорбційних процесів, теорією адсорбції та характеристикою поверхневих явищ.

ТЕОРЕТИЧНА ЧАСТИНА

Явище поглинання твердими або рідкими тілами речовин з навколишньої середи має назву сорбції. Сорбція, яка проходить тільки на поверхні тіла, має назву адсорбції. Якщо поглинання проходить по всій товщині, то таке явище має назву абсорбції.

Адсорбцію виражають в молях на квадратний метр. Але площу поверхні поглинувача знайти важчі, ніж його масу, тому частіше адсорбцію виражають у моль/ кг, а адсорбцію газів – у кубічних метрах на кілограм.

Величина адсорбції залежить від природи адсорбенту та адсортбату, від температури, від тиску газу або концентрації розчиненої речовини. Залежність адсорбції від тиску газоподібної речовини виражається емпіричним рівнянням Фрейндлиха:

(1) де х – кількість адсорбату в молях або об’єм в метрах кубічних, m – маса поглинача, кг, р – тиск, Па, а або n – константи, які характерні для даного процесу адсорбції (n>1).

Так як це рівняння справедливе тільки при постійній температурі, то його називають ізотермою адсорбції.

Константи а та в рівнянні Фрейндлиха можуть бути визначені графічним способом. З цією метою логарифмують рівняння (1):

(2) Далі в логарифмічних координатах строять графік ізотерми адсорбції: по осі абсцис відкладають логарифми рівноважних тисків lg p, а по осі ординат – логарифми адсорбції . Крива на графіку буде представляти собою пряму лінію. Якщо цю лінію продовжити до перехрестя її з осію ординат, то вона на ній відділить відрізок, який буде дорівнювати lg a. Це слідує з рівняння (2). Якщо lg p = 0, то . Тангенс кута нахилу цієї прямої до осі абсцис є значення .

Але рівняння Фрейндлиха не можливо застосовувати в області малих та великих тисків адсорбіруємої речовини. Порівняльно задовільну кількісну характеристику адсорбції як при низьких, так і при високих тисках адсорбуємої речовини дає рівняння ізотерми адсорбції Лєнгмюра, яке було виведено на основі молекулярно – кінетичної теорії:

(3) де Г – кількість адсорбуємої речовини (моль) одиницею поверхні поглинувача, Г∞ - кількість адсорбуємої речовини в молях при повному насичені одиниці поверхні, р – тиск, b – константа адсорбуємої рівноваги.

Для визначення фізичного смислу константи у рівнянні Лєнгмюра необхідно прийняти деяке часткове значення для Г, наприклад Г= Г∞/2. тоді, підставляючи це в рівняння (3), отримаємо:

; 2p = p+b; b=p

Звідси маємо, що константа чисельно дорівнює тому тиску адсорбтива, при якому адсорбція дорівнює половині граничної. Таким чином, усі величини, які входять до рівняння Лєнгмюра, мають певний фізичний смисл та теоретично обґрунтовані.

Для визначення Г∞ та b графічним методом необхідно рівняння Лєнгмюра привести до лінійного вигляду. З цією метою одиницю ділять на обидві частини рівняння:

; (4)

Якщо на осі абсцис відкласти величину , а на осі ординат , то на графіку отримаємо пряму лінію. З рівняння (4) слідує, що якщо =0, то = . Звідси, якщо пряму лінію графіку продовжити до перехрестя з осію ординат, то відрізок ОА на осі ординат буде дорівнювати .

Тангенс кута нахилу цієї прямої до осі абсцис є значення

. Визначивши графічним методом константу Г∞, константу b тепер можна також розрахувати з рівняння (3).

Якщо речовина адсорбується твердим тілом з розчину, то в рівняннях Фрейндлиха та Лєнгмюра тиск р замінюють величиною рівноважної молярної концентрації С:

(5)

(6)

Якщо ж адсорбція якоїсь речовини проходить на поверхні розчину, то це призводить до змін поверхневого натягнення. Кількісне співвідношення між величиною адсорбції та змінами поверхневого натягнення з концентрацією розчину визначається рівнянням Гібса (1878р.):

(7) де Г – адсорбція – надлишок розчиненої речовини, моль/м², с – молярна концентрація розчину, моль/л, R – газова постійна, Дж/(моль*К), Т – температура, К, σ – поверхневе натягнення, Н/м.

Для приблизних розрахунків можна замінити на , тоді

(8)

З рівняння маємо, що якщо з збільшенням концентрації розчиненої речовини поверхневе натягнення зменшується, то адсорбція позитивна. Якщо ж розчинена речовина поверхневе натягнення збільшує, то адсорбція негативна.

ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНА ЧАСТИНА

Мета роботи – ознайомлення студентів з сорбційними процесами, та характеристикою поверхневих явищ.

Прилади та реактиви: штатив з набором пробірок, скляні стакани. Розчини: фуксин, спиртовий розчин фуксину, сульфат міді, дихромат калію, перманганат калію, крохмаль, йод. Активоване вугілля. Скляні палички. Центрифуга.