Внеурочное занятие по химии "Опыты с активированным углем" 5 класс

Активированный уголь

Активированный уголь  — это адсорбент — вещество с развитой пористой структурой, которое получают из различных углеродсодержащих материалов органического происхождения. Наиболее качественными из доступных сорбентов являются уголь из кокосовой скорлупы и березовый (БАУ-А) уголь.

С точки зрения химии активированный уголь – это одна из форм углерода с несовершенной структурой, практически не содержащая примесей. Активированный уголь на 87-97 % по массе состоит из углерода, также может содержать водород, кислород, азот, серу и другие вещества.

Активированный уголь содержит огромное количество пор и поэтому обладает очень большой удельной поверхностью на единицу массы. Один грамм активированного угля, в зависимости от технологии изготовления, имеет удельную поверхность от 500 до 1500 м?. Активированный уголь не всасывается организмом и выделяется из него без изменений. Благодаря своему строению, обладает высокой адсорбцией. Молекулы активированного угля присоединяют к себе молекулы разных веществ, которые связываются и позже выводятся из организма вместе с углем.    

Активированный уголь может также нейтрализовать токсины, которые попали в кровь. Благодаря углю, токсины из крови вытягиваются в кишечник и адсорбируются.

Историческая справка

Адсорбционную способность древесных углей впервые заметили в конце 18 века. Было замечено, что древесный уголь может обесцвечивать определенные жидкости. Это открытие привело к первому промышленному применению древесного угля на английском сахаро-рафинадном заводе.

В 1909 г. на химических заводах в Ратиборе (Силезия) по патенту Острейко была выпущена первая промышленная партия порошкового угля эпонит. В 1911 г. за ним последовали норит и пурит— торфяные угли, активированные водяным паром. Химическое активирование древесных опилок хлоридом цинка впервые осуществили на Австрийском объединении химической и металлургической продукции в Ауссиге (в 1914 г.) и на фабриках красителей Байера (в 1915 г.) для производства карборафина. Эти порошковые угли использовались в основном в качестве осветляющих в химической и сахарной промышленности.

Во время первой мировой войны был впервые применен активный уголь из скорлупы кокосового ореха в качестве адсорбента в противогазных масках. Благодаря этому опыту и разработке в середине 30-х годов технологии производства гранулированных углей типа суперсорбон и бензосорбон, активные угли нашли применение в адсорбции газов и паров. Возможность извлечения бензола из светильного газа и другие рекуперационные процессы сыграли решающую роль в расширении областей применения активных углей. В настоящее время мировое производство активного угля составляет примерно 300 тыс. т/год (1977 г.), из которых примерно треть выпускается в Северной Америке и Европе.

Изготовление

Активированный уголь, в зависимости от марок, изготавливается из различного сырья:

БАУ-А, ОУ-А, ДАК — из древесного угля

АГ-3, АГ-5, АР — из каменноугольного кокса

PCG — из нефтяного кокса, асфальта, сажи

из кокосового кокса

из торфяного кокса

из скорлупы кокосового ореха

из лесного или грецкого ореха

из фруктовых косточек

из древесных отходов

из синтетических материалов и резины

из органических шламовых суспензий

из смесей галогенсодержащих углеводородов

из хлорированных карбидов кремния, титана, циркония, алюминия и бора

Почему же эта небольшая черненькая таблеточка способна так эффективно поглощать различные вещества? Весь фокус кроется в особом производстве активированного угля. Производство активированного угля состоит из двух этапов. Первый этап – это получение древесного угля. Он образуется при нагревании древесины без доступа кислорода. Однако полученный таким образом древесный уголь не способен выполнять функцию адсорбента – поры и микроканальцы в нем есть, но их довольно мало и они закрыты. Тогда древесный уголь подвергают активации – это второй этап, в процессе которого уголь либо нагревают, предварительно пропитав его специальными химическими соединениями, либо обрабатывают перегретым водяным паром. В обоих случаях процесс протекает без доступа кислорода, чтобы уголь не загорелся.

В результате этих операций получается особая углеродная структура, которая представляет собой слои атомов углерода, расположенных хаотично относительно друг друга, из-за чего между слоями образуется пространство – поры. Эти поры как раз и придают активированному углю его свойства – поры способны поглощать и удерживать в себе другие вещества. И пор этих невероятное количество. Так, площадь пор всего 1 грамма активированного угля может доходить до 2000 м2!

Действие и применение

Уже около 1550 г. до н.э. в старом египетском папирусе упоминалось о применении древесного угля в медицине.

Активированный уголь адсорбирует много токсичных веществ. Считается, что его следует применять на протяжении двух часов с момента отравления. За это время уголь в состоянии связать большую часть токсинов в желудочно-кишечном тракте.

Главным образом, активированный уголь используется при разных отравлениях и диарее. Тем не менее, несмотря на то, что уголь адсорбирует много разных токсинов, действует он не на все токсины.

Уголь также адсорбирует токсины, вырабатываемые бактериями. О его использовании во время лечения антибиотиками нужно проконсультироваться с ветеринаром, потому что кроме токсинов уголь может адсорбировать и лекарства.

Уголь не следует применять в случае отравления сильными кислотами, непищевыми спиртами, растворителями и тяжелыми металлами. Уголь также не адсорбирует некоторые пестициды.

Побочные действия и профилактика

Уголь не вызывает серьезных побочных действий. Противопоказан при язвенных поражениях желудочно-кишечного тракта, кровотечениях из ЖКТ, одновременном назначении антитоксических лекарственных средств, эффект которых развивается после всасывания. В качестве побочных эффектов называются диспепсия, запоры или диарея; при длительном применении — гиповитаминоз, снижение всасывания из ЖКТ питательных веществ (жиров, белков), гормонов.

Активированный уголь адсорбирует все вещества и не имеет селективности. Кроме часто заявляемых производителем токсинов и вредных веществ, уголь также адсорбирует полезные и нужные организму вещества. Поэтому уголь нужно разносить по времени с применением других веществ минимум на 2 часа, иначе все лекарства и полезные добавки будут адсорбированы углём. Применять уголь разумно только когда это действительно необходимо, т.е. в случае отравления, недомогания или приёма птицей в пищу большого числа ягод или иных веществ с большим содержанием токсинов или кислот. Многие производители минеральных подкормок для птиц приводят только полезные свойства угля, которые, впрочем, актуальны только для бесконтрольно питающихся птиц в природе.

Опыт №1

ü  Собственно, активированный уголь в таблетках

ü  Йод

ü  Две прозрачные емкости.

ü  Немного воды.

1) Для начала растолчем штук десять таблеток активированного угля. Растолочь их будет проще, если добавить несколько капелек воды.

2) После этого добавляем примерно чайную ложку йода.

3) А затем пару столовых ложек воды.

4) Хорошенько все это дело размешаем.

В таблетки с углем добавляют крахмал, поэтому наша взвесь наряду с черным приобретает синий оттенок – это характерная реакция йода на присутствие крахмала.

Теперь оставляем наш раствор на некоторое время. Для того чтобы, как говорится, почувствовать разницу, во второй стакан также нальем йод и немного воды, но активированного угля добавлять не будем.

По прошествии пары часов видим, что контрольный стакан по-прежнему содержит бурый раствор йода. А вода в стакане с активированным углем очистилась и стала прозрачной. Ну, или почти прозрачной — у меня еще не весь уголь осел на дно, поэтому вода выглядит немного мутноватой. Но это вопрос времени — если бы я подождал еще, то вода стала бы совсем чистая.

Так активированный уголь любезно продемонстрировал нам свои адсорбционные, т.е. поглощающие свойства. Ровно таким же образом активированный уголь действует при отравлениях или в фильтрующих элементах.

Опыт №2

В пузырек с водой капни чуть-чуть синих чернил для авторучки, чтобы раствор был бледно-голубым. В тот же пузырек положи растолченную таблетку активированного угля. Закрой горлышко пальцем и взболтай смесь. Она посветлеет на глазах. Дело в том, что такой уголь буквально впитывает своей поверхностью молекулы красителя, извлекая их из воды. А когда окрашенное вещество поглощено углем, его, понятное дело, уже не видно.

Опыт №3

Попробуй поставить тот же опыт с другими красящими веществами, например с чернилами разных цветов и с гуашевыми красками (но во всех случаях бери сильно разбавленные растворы).

Вывод: Уголь способен поглощать многие вещества. Применяется при отравлениях.