«Адсорбция уксусной кислоты активированным углем»

XIV муниципальная научно-практическая конференция

старшеклассников «Старт  в науку»

Секция _естественных наук

Название работы  «Адсорбция уксусной кислоты активированным углем»

Автор работы Насырова Сабина

Школа _МБОУ Лицей г. Абдулино , 10  класс_

Научный руководитель Зарипова Халимя  Сафуановна, учитель химии, категория - высшая_

2015   год

Содержание

Введение………………………………………………………………………………3-4 стр.

I.       Адсорбция……………………………………………………………………….4 стр.

1.   Историческая справка…………………………………………………..5 стр.

2.   Адсорбция на поверхности жидкости……………………………….5-8 стр.

3.   Адсорбционная теория гетерогенного катализа………………………8 стр.

4.   Теории адсорбции……………………………………………………….9 стр.

4.1     Теория мономолекулярной адсорбции Ленгмюра…………9-10 стр.

4.2     Уравнение Фрейндлиха…………………………………...........10 стр.

II.    Титриметрический метод анализа……………………………………………..11 стр.

1.     Кислотно-основное титрование……………………………………11-12 стр.

III.  Практическая часть………………………………………………………….13-16 стр.

1.      Методика «Адсорбция уксусной кислоты активированным углем»………………………………………………………………...13-15 стр.

2.     Результаты  эксперимента ……………………………………………...16 стр.

Заключение……………………………………………………………………………....17 стр.

Литература…………………………………………………………………………….....18 стр.

Приложение…………………………………………………………………………..19-28 стр.

Введение

В живой и неживой природе широко распространено явле­ние поглощения одним веществом других веществ, называемое адсорбцией. Тела с разви­той поверхностью способны поглощать, т. е. адсорбировать, из окружающего объема мо­лекулы газа, жидкости. Толщи горных пород и почвы являются огромными колоннами с адсорбентами, по которым перемещаются водные и газовые растворы. Легочная ткань подобна адсорбенту - носителю, на котором удерживается гемоглобин крови, обеспечивающий перенос кислорода в организм. Многие функции биологических мембран живой клетки связаны со свойствами их поверхности.

Цель исследования:

• изучить  адсорбцию уксусной кислоты активированным углем;
• на практике определить адсорбцию;
• построить график изотермы адсорбции Ленгмюра.

Задачи:

• изучить литературу по данному вопросу;
• систематизировать материал об адсорбции;
• изучить основные положения титриметрического метода анализа;
• экспериментальны путем определить  количество уксусной кислоты, поглощенной активированным углем при адсорбции;
• построить изотерму адсорбции (график зависимости адсорбции от равновесной концентрации);
• обработать результаты исследования.

Объект исследования: адсорбция веществ.

Предмет исследования: адсорбция уксусной кислоты активированным углем.

Методы исследования: 1) Теоретические (изучение литературы, интернет-ресурсов );

                               2)Эмпирические ( наблюдение, сравнение, аналогии, обобщение);

                               3) Практические (проведение эксперимента).

Гипотеза: если раствор известной концентрации при­вести в контакт с адсорбентом и, после установления адсорбционного равновесия измерить концентрацию полу­ченного равновесного раствора, то количество адсорбирован­ного из раствора вещества можно определить из разности между концентрацией раствора до и после адсорбции. Опре­деляя эту разность для растворов различной концентрации, и зная массу адсорбента, можно получить данные об удельной адсорб­ции.  По этим данным можно построить изотерму адсорбции.

Актуальность

Со способностью тел с развитой поверхностью поглощать из окружающего объема молекулы газа или жидкости мы часто встречаемся в нашей жизни. Это явление носит название «адсорбция», которое многие и не знают.

Но на самом деле практическое  значение адсорбции весьма велико. Адсорбцией пользуются в технологии получения редких элементов, при крашении волокон и обогащении полезных ископаемых. Важную роль адсорбция играет в нефтяной промышленности, металлургии, а также при протекании многих каталитических реакций и в химии коллоидных растворов.

Несмотря на широкое практическое применение адсорбции, в школьном курсе химии изучению данного вопроса уделяется недостаточно внимания. Мы познакомились с явлением адсорбции только при изучении темы «Углерод. Аллотропия углерода» (9 класс).

Участвуя в региональном этапе Всероссийской олимпиады школьников по химии, я столкнулась с титриметрическим методом анализа веществ. В целях подготовки к олимпиаде у меня появилось желание узнать как можно больше интересного в данной области.

Именно кислотно-основное титрование было выбрано мною для определения адсорбции уксусной кислоты активированным углем.  В качестве адсорбента в данном случае я выбрала активированный уголь, потому что его адсорбционные свойства используются еще и  в медицине для удаления вредных и опасных веществ из организма.

Я надеюсь, что методика определения адсорбции уксусной кислоты на активированном угле и результаты данного эксперимента заинтересуют юных химиков, которым нравится узнавать что-то новое и занимательное.

I.                   Адсорбция

1.     Историческая справка

Явление адсорбции известно очень давно. Такие природные материалы, как песок и почва, использовали для очистки воды еще на заре человеческого общества.

В конце XVIII века К. Шееле и одновременно Фонтана обнаружили способность свежепрокаленного древесного угля поглощать различные газы в объемах, в несколько раз превышающих его собственный объем. Вскоре выяснилось, что величина поглощенного объема зависит от типа угля и природы газа. Т.Е. Ловиц в 1785 году открыл явление адсорбции углем в жидкой среде, подробно исследовал его и предложил использовать уголь для очистки фармацевтических препаратов, спирта, вина, органических соединений. Ловиц показал, что древесный уголь способен быстро очищать испорченную воду и делать ее пригодной для питья. И сейчас основным действующим началом фильтров для воды служат углеродные материалы, конечно более современные, чем природные угли.

 Необходимость обезвреживания боевых отравляющих веществ, возникшая в ходе первой мировой войны, стимулировала развитие работ по очистке газов. Разработанный российским ученым Н.Д. Зелинским противогаз с активным углем в качестве сорбента до сих пор является наилучшим способом защиты от летучих ядовитых веществ.( см. приложение 1)

2.     Адсорбция на поверхности жидкости

Поверхностная энергия стремится самопроизвольно уменьшиться из-за уменьшения площади поверхности или поверхностного натяжения. К явлениям, происходящим вследствие стремления к самопроизвольному снижению поверхностного натяжения, относится адсорбция. (см. рис 1, приложение 2)

Адсорбция – это процесс самопроизвольного перераспре­деления компонентов системы между поверхностным слоем и объемной фазой.

При адсорбции в поверхностный слой переходит тот компонент, который сильнее уменьшает по­верхностное (межфазное) натяжение. Адсорбция может происходить на любой поверхности раздела между двумя фазами, например жидкость-газ или твердое тело-жидкость.

Высокодисперсные природные или искусственные материалы с большой удельной поверхностью, на которой происходит адсорбция веществ из соприкасающихся с ней газов или жидкостей, называются адсорбентами. Адсорбент может быть твердым или жидким, пористым и непористым.

Вещество, которое перераспределяется и может находиться в газообразной или жидкой фазе, называют адсорбатом. Та­ким образом, адсорбат адсорбируется на адсорбенте.

Обрат­ный процесс перехода вещества из поверхностного слоя в объемную фазу называют десорбцией.

Различают физическую (молекулярную) адсорбцию, хе­мосорбцию (образование химического соединения между ад­сорбентом и адсорбатом) и ионный обмен.

Для физической адсорбции характерно взаимодействие адсорбента и адсорбата за счет слабых межмолекулярных сил и водородных связей.

Хемосорбция отличается от физической адсорбции тем, что обусловлена образованием химических связей между адсорбентом и адсорбатом. Сильная хемосорб­ция часто необратима, вместо адсорбированного вещества может десорбироваться другое соединение. Нередко физиче­ская адсорбция предшествует хемосорбции.

Для количественного описания адсорбции используют в основном две величины. Одна измеряется числом молей или граммов адсорбата, приходящихся на единицу поверхности или на единицу массы адсорбента. Ее принято обозначать буквой А. Такой способ описания адсорбции используется в случае твердых адсорбентов.

Другая характеристика величины адсорбции определя­ется избытком вещества в поверхностном слое по сравнению с его количеством в таком же объеме фазы, также отнесенным к единице массы адсорбента. Эту величину называют поверхностным избытком или адсорбцией Гиббса, обозначают буквой Г и используют в основном в случае жидкого адсорбента.

На молекулы жидкости, находящие­ся на поверхности, действует сила, стремящаяся перенести их вглубь. В случае жидких растворов, которые состоят из рас­творителя и растворенного вещества, на поверхности возника­ет конкуренция между молекулами растворителя и частица­ми (молекулами, ионами) растворенного вещества за «право» покинуть поверхность. И здесь возможны два варианта:

• если перенос частиц растворенного вещества с поверхности вглубь раствора даст меньший выигрыш в энергии, то будет про­исходить накопление растворенного вещества в поверхно­стном слое, при этом поверхность будут покидать молекулы раство­рителя;
• если же перенос частиц растворенного вещества с поверх­ности даст больший выигрыш в энергии, чем перенос мо­лекул растворителя, то именно частицы растворенного ве­щества будут уходить вглубь раствора.

И в том, и другом случае система стремится к состоянию с минимальным поверхностным натяжением раствора. По способности концентрироваться на поверхности раство­ра растворенные вещества подразделяются на две группы:

·      вещества, накапливающиеся в поверхностном слое, для которых концентрация на поверхности выше, чем в глубине раствора (Г > 0), их называют поверхностно­-активными веществами (ПАВ). Эти вещества значитель­но снижают поверхностное натяжение растворителя;

·      вещества, для которых концентрация на поверхности ни­же, чем в глубине раствора (Г < 0), их называют по­верхностно-инактивными веществами (ПИВ). Растворы этих веществ имеют несколько большее поверхностное натяжение, чем чистый растворитель.

Поверхностно-активными веществами по отношению к воде являются большинство органических растворимых в воде веществ: кислоты и их соли, спирты, эфиры, амины, аминокислоты, белки и др. К поверхностно-инак­тивным веществам относятся почти все неорганические электроли­ты: кислоты, щелочи, соли.

Молекулы ПАВ состоят из полярной группы (-ОН, -СООН, -СОО-, -NH₂ и др.), способствующей растворимости ПАВ в воде, и углеводородного радикала – гидрофобной части молекулы, препятствующей растворимости в воде, но способствующей растворимости ПАВ в неполярных растворителях. Молеку­лы ПАВ обычно схематично изображают кружочком с хвос­тиком. Кружок обозначает полярную группу, а хвостик – ­углеводородный радикал. (см. рис. 2, приложение 2).  Молекулы ПАВ, оказавшись на границе полярной и непо­лярной фаз, ориентируются определенным образом –­полярная часть обращена к полярной фазе (например, к воде), а углеводородный радикал – к неполярной (например, к воз­духу, бензолу и т. П.), образуя подобие частокола. Обратная ориентация энергетически невыгодна.

Способность ПАВ сильно снижать поверхностное натяже­ние воды широко используется человеком в повседневной жизни – это все моющие и чистящие средства (мыло, стиральные порошки, шампуни, средства для чистки посуды и т. П.), в которых основным компонентом являются ПАВ, обеспечива­ющие удаление загрязнений.

Мы выяснили, что в разбавленных растворах поверхностно-активных веществ (ПАВ) их кон­центрация в поверхностном слое может в десятки и даже сот­ни раз увеличиваться в результате адсорбции, особенно для биологически активных веществ (белки, фолиевые кислоты и др.). Это имеет большое значение для живых организмов, так как приводит к увеличению скорости процессов, идущих на поверхности таких растворов.

Биологические мембраны, например оболочки клеток, то­же состоят из молекул ПАВ – фосфолипидов, у которых по два углеводородных хвоста (см. рис. 3, приложение 2). Внутри водного раствора фосфолипиды выстраиваются в двойной слой, чтобы спрятать углеводородные хвосты от во­ды (см. рис. 4, приложение 2). Если концентрация фосфолипида в водном растворе мень­ше некоторого критического значения, двойной слой делится на фрагменты, которые самопроизвольно сворачиваются в пу­зырьки – липосомы.     

3.     Адсорбционная теория гетерогенного катализа

Катализ — избирательное ускорение направлений химической реакции под действием катализатора, который многократно вступает в промежуточное химическое взаимодействие с участниками реакции и восстанавливает свой химический состав после каждого цикла промежуточных химических взаимодействий.

При гетерогенном катализе ускорение процесса обычно происходит на поверхности твердого тела — катализатора, поэтому активность катализатора зависит от величины и свойств его поверхности. На практике катализатор обычно наносят на твердый пористый носитель.

Стадии гетерогенного катализа:

1. Диффузия. Реагирующие молекулы диффундируют к поверхности твердого вещества.

2. Адсорбция. Реагирующие молекулы сначала подвергаются физической адсорб­ции на активных центрах поверхности твердого вещества. Затем они хемосорбируются на ней.

 3. Химическая реакция. Реагирующие молекулы, оказывающиеся рядом друг с другом, вступают в реакцию между собой с образованием продуктов.

4. Десорбция. Эта стадия обратна стадии адсорбции. После завершения реакции, молекулы продуктов оказываются хемосорбированными на поверхности, после чего они становятся физически адсорбированными на ней, и в конце концов высвобождаются с поверхности.

5. Диффузия. Молекулы продуктов диффундируют от поверхности.

Эти пять стадий схематично представлены на рисунке 5 (приложение 2) на примере каталити­ческого гидрирования этилена с использованием тонкоизмельченного никелевого катализатора:

Ni; 400°C

С₂Н₄(г.) + Н₂(г.)            С₂Н₆(г.)

Отметим, что водород адсорбируется на поверхностных атомах никеля в атомарном виде. Тонкоизмельченное состояние катализатора обеспечивает большую площадь его поверхности и тем самым повышает эффективность его каталитического действия.

4.     Теории адсорбции

Единой теории, которая достаточно корректно описывала бы все виды адсорбции на разных поверхностях раздела фаз, не имеется; рассмотрим поэтому некоторые наиболее распространенные теории адсорбции, описывающие отдельные виды адсорбции на поверхности раздела твердое тело – газ или твердое тело – раствор.

4.1.           Теория мономолекулярной адсорбции Ленгмюра

В ходе изучения ПАВ в 1915г. Американский химик и физик Ирвинг Ленгмюр выдвинул и математически обосновал идею об особом строении адсорбционных слоев.

Теория Ирвинга Ленгмюра(1914-1918) явилась фундаментальным вкладом в учение об адсорбции. Она основывается на следующих положениях:

• Адсорбция является локализованной и вызывается силами, близкими к химическим.
• Адсорбция происходит не на всей поверхности адсорбента, а на активных центрах, которыми являются выступы либо впадины на поверхности адсорбента, характеризующиеся наличием т.н. свободных валентностей. Активные центры считаются независимыми (т.е. один активный центр не влияет на адсорбционную способность других), и тождественными.
• Каждый активный центр способен взаимодействовать только с одной молекулой адсорбата; в результате на поверхности может образоваться только один слой адсорбированных молекул.
• Процесс адсорбции является обратимым и равновесным – адсорбированная молекула удерживается активным центром некоторое время, после чего десорбируется; т.о., через некоторое время между процессами адсорбции и десорбции устанавливается динамическое равновесие.

На основе этих положений было получено следующее уравнение изотермы адсорбции:  

A= А∞   (1),

где А∞ - предельная адсорбция, k – константа, С – концентрация раствора.

Изотерма адсорбции Ленгмюра изображена на рисунке 6 (приложение 3).

Для определения соответствия теории результатам эксперимента уравнение изотермы приводят к линейному виду и строят соответствующий график. Уравнение 1 можно привести к линейной форме путем деления 1 на обе части уравнения:

График, соответствующий уравнению 2, имеет вид восходящей прямой. Если экспериментальные данные, отложенные в координатах  l/А – 1/С, ложатся на прямую, то это означает, что теория адсорбции Ленгмюра адекватно описывает данный процесс. Нахождение tgα и пересечения прямой с осью ординат позволит рассчитать  А∞ и k. Если прямая не получается, то это означает, что данная модель непригодна для адекватного описания адсорбции в конкретной системе.

Ленгмюровская модель адсорбции является полезной абстракцией, передающей важные черты явления. Однако положения, лежащие в ее основе, в значительной степени идеализируют и упрощают действительную картину адсорбции. Поэтому она далеко не всегда оказывается справедливой.

4.2 Уравнение Г. Фрейндлиха

Теоретические представления, развитые Ленгмюром в значительной степени идеализируют и упрощают истинную картину адсорбции. На самом деле поверхность адсорбента неоднородна, между адсорбированными частицами имеет место взаимодействие, активные центры не являются полностью независимыми друг от друга и т.д. Все это усложняет вид уравнения изотермы. Фрейндлих предположил, что на поверхности есть более выгодные для адсорбции участки и менее выгодные. Он получил следующее уравнение изотермы адсорбции:

А = КСn (3)

где К и n – константы, С – концентрация раствора.

Изотерма адсорбции Фрейндлиха в координатах А-С изображена на рисунке 7 (приложение 3).

II.                Титриметрический метод анализа

Титриметрический метод анализа является разделом количественного анализа, в котором содержание вещества определяется путем точного измерения объема раствора реагента (титранта), вступившего в химическую реакцию с определяемым веществом. Концентрация раствора титранта должна быть точно известна.

Процесс постепенного приливания раствора-титранта к раствору анализируемого вещества называют титрованием. Момент, когда титрант добавили в исследуемый раствор в количестве, химически эквивалентном определяемому веществу, называют точкой эквивалентности. Для определения этого момента в исследуемый раствор добавляют индикатор. Окраска индикатора изменяется, когда реакция между определяемым веществом и титрантом доходит до конца. Практически изменение цвета не точно совпадает с точкой эквивалентности. В этом случае говорят о точке конца титрования. Т.е. это такой момент титрования, когда по изменению окраски раствора индикатора или по другим признакам замечают конец реакции. К моменту конца титрования, количество прибавляемого титранта больше или меньше эквивалентного. Титрование будет тем точнее, чем ближе к точке эквивалентности лежит точка конца титрования. Достигнув точки конца титрования, добавление титранта прекращают. По затраченному объему титранта и его концентрации вычисляют результаты анализа. (см. рис. 8 приложение 3)

1.      Кислотно-основное титрование

Кислотно-основное титрование — титриметрический метод определения концентрации кислот или оснований, основанный на реакции нейтрализации:

Титрование раствором щелочи называется алкалиметрией, а титрование раствором кислоты — ацидиметрией. При количественном определении кислот (алкалиметрия) — рабочим раствором является раствор щелочи NaOH или КОН, при количественном определении щелочи (ацидиметрия) рабочим раствором является раствор сильной кислоты (обычно НСl или H₂SO₄).

При использовании индикаторов последние подбирают таким образом, чтобы их pH точки эквивалентности была посредине pH скачка титрования. При этом диапазон pH скачка титрования тем больше, чем сильнее титруемая кислота (основание), и тем выше точность титрования. Для слабых кислот (оснований) скачок титрования меньше, и его можно увеличить за счёт реакций комплексообразования.

Титрование сильной кислоты сильным основанием.

Н₂SО₄(водн.) + 2NаОН(водн.) → Nа₂SО₄(водн.) + 2Н₂О(ж.)

В точке эквивалентности титрования добавление к кислоте ещё одной капли основания вызывает резкое возрастание рН. Для такого титрования можно воспользоваться такими индикаторами, как краситель метиловый красный и фенолфталеин (с диапазоном изменения окраски между значениями рН 4 и 10). Следует отметить, что если в качестве инди­катора титрования сильной кислоты сильным основанием использовать метиловый оранжевый, то изменение окраски оказывается не столь резким.

Титрование сильной кислоты слабым основанием.

НСl(водн.) + NН₄ОН(водн.) → NН₄Сl(водн.) + Н₂О(ж.)

Удобными индикаторами для него являются метиловый красный либо бромтимоловый синий (с диапазоном изменения окраски  между значениям рН от 4 до 8) , но не фенолфталеин, поскольку его диапазон изменения окраски не подходит.

Титрование слабой кислоты сильным основанием.

CH₃СООН(водн.) + NаОН(водн.) → СН₃СООNа(водн.) + Н₂О(ж.)

Для данного титрования подходят индикаторы феноловый красный либо фенолфталеин (область значений рН от 6,5 до 11). Индикаторы с диапазоном изменения окраски, расположенным ниже рН 6, как у метилового оранжевого, не подходят для такого титрования, поскольку их диапазон изменения окраски не позволяет точно обнаружить точку эквивалентности.

Титрование слабой кислоты слабым основанием.

СН₃СООН (водн.) + NH₄ОH (води.) → СН₃СООNН₄ (водн.) + H₂O (ж.)

Титрование этого типа характеризуется отсутствием резкого изменения рН в момент достижения точки эквивалентности. Изменения рН происходят плавно во всей области принимаемых значений. Поэтому для титрований такого типа невозможно подобрать индикатор. (см.рис.9, приложение 4)

III.             Практическая часть

1. Методика «Адсорбция уксусной кислоты активированным углем»

Оборудование: колбы конические, ёмкость 250 мл (12 шт.), бюретка с краном (25 мл), мерные цилиндры, лабораторный штатив с лапкой, воронки (6 шт.), фильтры бумажные (6 шт.), весы учебные лабораторные (ВУЛ-100/200), калькулятор.

Реактивы: раствор уксусной кислоты (0,4 н), раствор гидроксида натрия (0,1 н), спиртовой раствор фенолфталеина (0,245 %), уголь активированный – УФБ (20 шт.)

Ход работы:

1.      Приготовление рабочего раствора.

В шести пронумерованных конических колбах объемом 500 мл готовится рабочий раствор. Для этого в каждую колбу наливается рассчитанное количество 0,4н раствора уксусной кислоты и доливается 100 мл дистиллированной воды.

Таблица № 1

№ колбы	V(кислоты), мл	V(H2O), мл	V(рабочего раствора), мл
1	50,0	100,0	150,0
2	50,0	100,0	150,0
3	50,0	100,0	150,0
4	25,0	100,0	125,0
5	10,0	100,0	110,0
6	5,0	100,0	105,0

2.      Определение концентрации кислоты в исходных растворах.

В другие шесть конических колб отбираются пипеткой следующие объемы растворов кислоты: из колб № 1,2 и 3 – по 50 мл, из колбы № 4 – 25 мл, из колбы № 5 – 10 мл и из колбы № 6 – 5 мл.

В отобранные растворы добавляется по 2-3 капли индикатора (фенолфталеина с концентрацией   С = 0,245%), после чего данные растворы титруются кислотно-основным титрованием – по каплям в колбы из бюретки добавляется 0,1н  раствор щелочи до появления устойчивой слабо розовой окраски раствора.

На основе закона эквивалентов, по объему 0,1н раствора щелочи, израсходованного на титрование, определяется концентрация растворов уксусной кислоты.

С_{кислоты} * V_{кислоты}  = С_щелочи * V_щелочи          =>    С_{кислоты} = = С_о

Расчеты к таблице № 2 см. в приложении 5.

Таблица № 2

№ колбы	Объём раствора уксусной кислоты, V(кислоты), мл	Объём раствора щелочи, пошедшей на титрование, V(щелочи), мл	Концентрация раствора щелочи, С(щелочи), н	Концентрация уксусной кислоты, Со(кислоты), н
1	50,0	25,5	0,1	0,051
2	50,0	46,5	0,1	0,093
3	50,0	119	0,1	0,238
4	25,0	95,5	0,1	0,382
5	10,0	82	0,1	0,82
6	5,0	86,5	0,1	1,73

3.      Определение равновесной концентрации уксусной кислоты с добавлением активированного угля(массой 1 г) в течении 0,25 часа(15 минут).

В каждую колбу первой серии вносится по 1 г активированного угля, и периодически перемешивается в течение 15 минут. После выдержки уксусной кислоты на угле, растворы фильтруются, используя складчатый фильтр.

Из колб № 1, 2, 3 и 4 отбирается по 25 мл раствора фильтрата, из колбы № 5 – 10 мл и из колбы № 6 – 5 мл, после чего определяется оставшаяся концентрация полученного фильтрата по вышеизложенной схеме в процессе адсорбции по формуле:

С_{кислоты} = = С_р

Расчеты к таблице № 3 приведены в приложении 5.

Таблица № 3

№ колбы	Объём раствора уксусной кислоты, V(кислоты), мл	Объём раствора щелочи, пошедшей на титрование, V(щелочи), мл	Концентрация раствора щелочи, С(щелочи), н	Концентрация уксусной кислоты, Ср(кислоты), н
1	25,0	0,3	0,1	0,0012
2	25,0	0,9	0,1	0,0036
3	25,0	20,1	0,1	0,0804
4	25,0	70,5	0,1	0,282
5	10,0	68,3	0,1	0,683
6	5,0	76,3	0,1	1,526

В результате проведения опытов стало ясно, что даже при выдержке в 15 минут можно с помощью титрования уловить количество уксусной кислоты, поглощенной активированным углем при адсорбции.

Для расчета адсорбции уксусной кислоты активированным углем для каждого раствора  используется формула  A =  , где V – объем раствора уксусной кислоты, из которого проводилась адсорбция, л(в данном случае V=0,5 л), m – масса адсорбента(в данном опыте m=1 г).

Расчеты приведены в приложении 6. Эти данные расчетов необходимы для построения изотермы адсорбции, которые вносятся в таблицу № 4.

Таблица № 4

№ колбы	Ср , н	А	1/Ср ,моль/л	1/А , моль/л
1	0,0012	0,00249	833,33	401,61
2	0,0036	0,00447	277,78	223,71
3	0,0804	0,00788	12,44	126,90
4	0,282	0,005	3,55	200
5	0,683	0,00685	1,46	145,98
6	1,526	0,0102	0,65	98,04

2.      Результаты эксперимента

По результатам эксперимента мы выяснили, что с помощью титриметрического метода анализа можно определить количество уксусной кислоты, поглощенной активированным углем при адсорбции. Доказательством этого является построение графика изотермы адсорбции Ленгмюра.

Чтобы построить изотерму Ленгмюра, по оси абсцисс на координатной плоскости откладывают значения 1/С_р , а по оси ординат соответствующие им значения 1/А.

График адсорбции уксусной кислоты имеет вид восходящей прямой. Экспериментальные данные, отложенные в координатах 1/С_р – 1/А, ложатся на прямую, следовательно, теория адсорбции И. Ленгмюра применима для данного процесса.

Заключение

Действительно, практическое значе­ние явления адсорбции в жизни человека весьма велико. Адсорбцией пользуются в технологии получения редких элементов, при выработке сахара, в нефтяной промышленности, в пищевой промышленности и кулинарии. Важную роль адсорбционные процессы играют в гетерогенном катализе, при крашении волокон, при обогащении полезных ископаемых. Адсорбционные процессы лежат в основе крашения тканей, дубления кож и т. д. Адсорбция играет основную роль при протекании многих каталитических реакций и в химии коллоидных растворов.

Ионообменная адсорбция нашла широкие применения в пищевой промышленности. В производстве вина с помощью ионитов из него удаляют излишнее количество ионов Fe³⁺,Cu²⁺,Ca²⁺, которые вызывают помутнение вин.

На адсорбционных процессах основано тонкое разделение смесей веществ и выделение из сложных смесей определенных компонентов.

Для описания процесса адсорбции разработано несколько теорий, наиболее часто используемыми из которых являют­ся теория мономолекулярной адсорбции Ленгмюра и уравнение Фрейндлиха.

Теория адсорбции Ленгмюра основана на следующих по­ложениях:

ü  поверхность адсорбента однородна, т.е. адсорбция частиц адсорбата на любом участке поверхности дает одинаковый выигрыш в энергии;

ü  адсорбция частиц происходит только в один слой;

ü  адсорбированные частицы не взаимодействуют между собой.

По результатам эксперимента мы построили изотерму адсорбции и выяснили, что адсорбционная модель Ленгмюра является наиболее подходящей для описания процесса адсорбции уксусной кислоты активированным углем.

Мне хочется верить, что информация, изложенная в данной работе, и выводы моего исследования повысят ваш интерес к углубленному изучению химии, особенно в разделах аналитической и физколлоидной химии.

Список использованной литературы

1.      Габриелян О.С., В.В.Белоногов, Г.У.Белоногова. Поверхностные явления: 10-11 класс. – М. : Дрофа, 2008. – 109 с.

2.      Храмов В.А., Гиззатова Г.Л., Гурина Е.Ю.  Простые опыты по адсорбции.// Химия в школе. – 2007;

3.      « Справочник юного химика», Просвещение, 1984 г.

4.      Храмов В.А., Гиззатова Г.Л., Гурина Е.Ю. Химия в школе. – 2007 г.

Список использованных источников информации

1.      http://www.medical-enc.ru/18/titrovanie.shtml;

2.      http://www.xumuk.ru/nekrasov/vii-03.html;

3.      http://ru.wikipedia.org/wiki/Адсорбция;

4.      http://planetcalc.ru/419/;

5.      https://ru.wikipedia.org/wiki/Кислотно-основное_титрование;

6.      http://chem21.info/info/;

7.      http://www.physchem.chimfak.rsu.ru/Source/PCC/Colloids_3.htm.

Приложение 1

                             

	К.В.Шееле
			Т.Е. Ловиц		Н.Д.Зелинский

 

	древесный уголь

 

противогаз Н.Д. Зелинского

 

Приложение 2

 

	Рис. 1
			Рис. 2

 

	Рис. 3
			Рис. 4

 

	Рис. 5

 

Приложение 3

Рис. 6

Рис. 7

Рис. 1

Рис. 8

И.Ленгмюр

                                       

                         Приложение 4

	Рис. 9

 

Приложение 5

Расчеты к таблице № 2.

Определение концентрации кислоты в исходных растворах:

С_{кислоты} * V_{кислоты}  = С_щелочи * V_щелочи          =>    С_{кислоты} = = С_о.

№1. С_{кислоты} = 0,1(н) * 25,5 (мл) /50 (мл) = 0,051 (н);

№2. С_{кислоты} = 0,1(н) * 46,5 (мл) /50 (мл) = 0,093 (н);

№3. С_{кислоты} = 0,1(н) * 119 (мл) /50 (мл) = 0,238 (н);

№4. С_{кислоты} = 0,1(н) * 95,5 (мл) /25 (мл) = 0,382 (н);

№5. С_{кислоты} = 0,1(н) * 82 (мл) /50 (мл) = 0,82 (н);

№6. С_{кислоты} = 0,1(н) * 86,5 (мл) /50 (мл) = 1,73 (н).

Расчеты к таблице № 3.

Определение равновесной концентрации уксусной кислоты с добавлением активированного угля(массой 1 г) в течении 0,25 часа(15 минут):

С_{кислоты} = = С_р.

№1. С_{кислоты} = 0,1(н) * 0,3(мл) /25(мл) = 0,012(н);

№2. С_{кислоты} = 0,1(н) * 0,9(мл) /25(мл) = 0,0036(н);

№3. С_{кислоты} = 0,1(н) * 20,1(мл) /25(мл) = 0,0804(н);

№4. С_{кислоты}  = 0,1(н) * 70,5(мл) /25(мл) = 0,282 (н);

№5. С_{кислоты}  = 0,1(н) * 68,3(мл) /10(мл) = 0,683(н);

№6. С_{кислоты} = 0,1(н) * 76,3(мл) /5(мл) = 1,526(н).

Приложение 6

Расчеты к таблице № 4.

1. Расчет адсорбции уксусной кислоты активированным углем.

A =  , где А-адсорбция уксусной кислоты, V – объем раствора уксусной кислоты, из которого проводилась адсорбция, л(в данном случае V=0,5 л), m – масса адсорбента(в данном опыте m=1 г):

№1. А = ((0,051н-0,0012н)*0,5мл) /1г = 0,0249;

№2. А = ((0,093н-0,0036н)*0,5мл) /1г = 0,0047;

№3. А = ((0,238н-0,0804н)*0,5мл) /1г = 0,00788;

№4. А = ((0,382н-0,282н)*0,5мл) /1г = 0,005;

№5. А = ((0,82н-0,683н)*0,5мл) /1г = 0,00685;

№6. А = ((1,73н-1,526н)*0,5мл) /1г = 0,0102.

2. Определение 1/С_р:

№1. 1/Ср = 1:0,0012н = 833,33 моль/л;

№2.  1/Ср = 1:0,0036н = 277,78 моль/л;

№3. 1/Ср = 1:0,0804н = 12,44 моль/л;

№4. 1/Ср = 1:0,282н = 3,55 моль/л;

№5. 1/Ср = 1:0,683н = 1,46 моль/л;

№6. 1/Ср = 1:1,526н = 0,65 моль/л.

3. Определение 1/А:

№1. 1/А = 1:0,00249 = 401,61 моль/л;           №5. 1/А = 1:0,00685 = 145,98 моль/л;

№2. 1/А = 1:0,00447 = 233,71 моль/л;           №6. 1/А = 1:0,0102 = 98,04 моль/л.

№3. 1/А = 1:0,00788 = 126,9 моль/л;

№4. 1/А = 1:0,005 = 200,00 моль/л;

Приложение 7

Практическая часть исследования

	Реактивы и оборудование, необходимые для проведения опыта

 

Приложение 8

Приготовление рабочих растворов уксусной кислоты

Титрование растворов уксусной кислоты гидроксидом натрия

Приложение 9

Выдержка уксусной кислоты на угле

Фильтрование растворов уксусной кислоты после адсорбции активированным углем

Приложение 10

Готовые фильтраты растворов кислоты, необходимые для определения адсорбции