Исследование адсорбции на поверхности твердых адсорбентов в разных условиях

Министерство  образования и науки РФ

Федеральное агентство по образованию

ГОУВПО  «Тобольский государственный институт Д.И. Менделеева» 
 
 
 
 
 
 
 
 

Выпускная квалифицированная работа 
 

На тему: «Исследование адсорбции на поверхности твердых адсорбентов в разных условиях». 
 
 
 
 
 
 

Выполнила:

студентка 5 курса БХФ 

Ященко  Мария

Проверила:

к.п.н., доцент

кафедры химии и МПХ 

ТГПИ  им. Д.И.Менделеева

 Попова Е.М. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Тобольск 2007 

Заключение 

По результатам  работы можно сделать следующие выводы:

• Адсорбция – это один из видов сорбционных процессов, основанный на поглощении твердым адсорбентом веществ из жидкостей и газов. Область применения процесса адсорбции довольно широка. Природные и синтетические адсорбенты широко используют в научных исследованиях, в медицине, при получении твердых катализаторов, для очистки жидких и газообразных веществ от примесей.
• Адсорбция бывает двух видов: физическая, при которой молекулы адсорбируемого вещества и адсорбента не вступают в химическую реакцию, и химическая, когда между адсорбентом и адсорбатом возникает химическая реакция.
• В качестве адсорбентов используют твердые вещества с сильно развитой удельной поверхностью. По своей природе адсорбенты относятся к веществам минерального и органического происхождения.
• Результаты исследования показали, что главной характеристикой адсорбентов является количество поглощаемого ими вещества, которое зависит от факторов:
1. природы адсорбента;
2. количества адсорбента;
3. свойств растворителя;
4. свойств адсорбируемого вещества.
• Исследование явлений адсорбции в курсе химии общеобразовательной школы можно организовать реализуя возможности исследовательской работы учащихся и разных видов химического эксперимента.   

Содержание 

Введение ………………………………………………………

Глава 1. Характеристика явления адсорбции  на поверхности твердых адсорбентов в разных условиях……………………………..

  1.1. Виды адсорбции  и классификация твердых адсорбентов…

  1.2. Влияние концентрации адсорбата и температуры на величину   адсорбции………………………………………………………..

 Глава 2.  Изучение адсорбции жидких адсорбатов на поверхности твердых  адсорбентов в разных условиях…………………

   2.1. Характеристика адсорбентов используемых в исследовании……

   2.2. Определение величины адсорбции в зависимости от концентрации…

   2.3. Определение величины адсорбции в зависимости от температуры….

Глава 3. Дидактические возможности курса химии общеобразовательной школы при изучении явлений адсорбции………………………….

3.1.

3.2.

Заключение……………………………………………… 

Библиография  ………………………………………

Приложение………………………………………….. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Приложение 1.

В приложении 1 представлены авторы учебников, из которых были взяты определения.

1 -  В.А.  Крицман, В.В. Станцо

2 - С.А.  Балезин

3 -  Н.Л.  Глинка

4 - А.Д.Зимон 

Приложение 2.

  Тема: «Исследование адсорбционных свойств твердых адсорбентов применяемых в медицине». 

Характеристика  адсорбентов используемых в исследовании.

Смекта  – это адсорбент действующим веществом которого является смектит, полученный из природной смектитной глины. Ценные фармакологические качества смектита обусловлены структурой его коллоидного раствора в воде. Каждая частица смектита состоит из тысяч микроскопических пластинок, скомпонованных в "стеки" по типу сэндвича. Плоская часть поверхности пластинок имеет отрицательный заряд, в то время как края пластинки заряжены слегка положительно. Отрицательный заряд такой пластинки нивелируется присутствием главным образом ионов Na+ , и в меньшей степени - других неорганических катионов. Эти катионы, располагающиеся на поверхности пластинок смектита, называются "обменными", т.к. они могут быть легко заменены другими катионами. При контакте смектита с водой последняя проникает в пространство между пластинами, раздвигая их вплоть до полного отделения друг от друга, облегчая тем самым диффузию катионов Na+ и ионообменные процессы.                                                                                                     

Механизмы воздействия на факторы агрессии в отношении слизистой желудочно–кишечного  тракта;

• препятствие фиксации патогенных микроорганизмов на слизистой оболочке желудка и кишечника;
• связывание пепсина;
• коньюгация желчных кислот с образованием  неактивных  хелатов;
• адсорбция  кишечных газов;
• связывание ионов водорода.

Таблица 1.

Улучшенный  химический состав смекты – предпосылка  для большей клинической эффективности.

Смекта назначается при:

• диарее различного генеза (аллергической, лекарственной обусловленной нарушением режима питания и некачественной пищей);
• диарее инфекционного генеза – в составе комплексной терапии;
• гастрите;
• язвенной болезни желудка и  12-перстной кишки.

Уголь активированный – черный порошок без запаха и вкуса. Практически не растворим в обычных растворителях. Уголь может быть животного или растительного происхождения. Уголь растительного происхождения получают сухой перегонкой дерева, в связи с большой поверхностью способен адсорбировать газы,  алкалоиды,  токсины.

Уголь активированный назначается при:

• пищевых интоксикациях;
• отравлениях (алкалоидами, солями тяжелых металлов и т.п.);
• метеоризме и повышенной кислотности.

  Таблетки  угля активированного (карболен) содержащие по 0,5 или 0,25 г активированного угля. Более удобны для применения, чем активированный уголь в порошке; обладают, однако, несколько меньшей адсорбирующей активностью, так как содержат наполнители (крахмал, желатин, сахарный сироп и др.), уменьшающие адсорбирующую поверхность.   

 Полифан – препарат, получаемый при переработке лигнина, продукта гидролиза углеродных компонентов древесины.  Темно – коричневый мелкодисперсный порошок без запаха и вкуса, практически нерастворим в воде. Препарат обладает высокой адсорбционной способностью и при приеме внутрь способен адсорбировать бактерии в желудочно-кишечном тракте.

 Полифан  назначается при:

• заболеваниях желудочно-кишечного тракта инфекционной и неинфекционной природы, сопровождающихся поносом;
• метеоризмом, общей интоксикацией;
• тяжелых формах инфекционных заболеваний желудочно-кишечного тракта применяют в дополнение к антибактериальной терапии.

Глины - образуются в результате выветривания магматических горных пород и относятся к алюмосиликатам, состоящие в основном из глинистых минералов. К последним относятся каолинит Al₂(Si₂0₅) (ОН)₄ И близкие к нему по строению диккит и накрит, галлуазит  (Н₂О)₄[AI₂(Si₂О₅)(ОН)₄],  гидромусковит (иллит) К_х(Н₂0)_х [AI₂(AISi₃O₁₀)(ОН)_2-х * (Н₂О)_х, монтмориллонит и др. Все эти минералы

обладают слоистой структурой.

Минералы, из которых образованы глины, содержат два типа различных слоистых структур:

• слои, составленные из силикатных тетраэдров с различным содержанием Аl(III), заместившего Si(IV);
• слои, составленные в основном из октаэдров, в которых ионы Al³⁺ или Mg²⁺ окружены шестью ионами кислорода или гидроксид-ионами.

Показания к применению лечения глиной:

• внутрь применяется при хронических заболеваниях желудочно-кишечного тракта, при вялотекущих интоксикациях;
• наружное применение для достижения тепловых эффектов при хронических стадиях заболеваний (артриты, полиартриты ревматического, инфекционного характера);
• наружно как охлаждающее средство на месте ушиба, для снятия рефлекторных болей в области сердца;
• гинекологическая практика в соответствии с показаниями грязелечения.

Особенно  широко сейчас применяют глины в косметической практике. Голубая, розовая, белая, черная глины дают омолаживающий эффект за счет глубокой очистки кожи, насыщают кожу кислородом, замедляют ее старение. Цвет глины зависит от присутствующих в ней солей:

. красный  - соли калия, железа;

. зеленоватый  - соли меди, двухвалентного железа;

. голубой  - соли кобальта, кадмия;

. темно-коричневый  и черный - соединения углерода, железа.

Сегодня, когда фармацевтический рынок: насыщается дорогими лекарственными препаратами, многие люди стали увлекаться лечением глиной. При этом большая часть населения, как правило, добывает глину самостоятельно из расположенных поблизости карьеров, мало задумываясь о ее экологической чистоте.

Определение величины адсорбции  в зависимости  от концентрации.

     Методика исследования влияния концентрации на адсорбцию.

Цель  работы:

1. Наблюдать адсорбцию на границе жидкой и твердой фаз.
2. Построить график зависимости адсорбции от концентрации.
3. Выявить эффективность разных адсорбентов при изменении концентрации.

Оборудование  и реактивы:

  Шесть колб на 250 мл с корковыми пробками; шесть конических колб на 150 мл; пипетка на 50 мл; пипетка на 25 мл; пипетка на 10 мл; пипетка на 5 мл; бюретка на 50 мл с делениями в 0,1 мл; шесть воронок для фильтрования; фильтровальная бумага; активированный уголь, смекта, глина; растворы 2 М СН₃СООН; 0,1 М NaOH, фенолфталеина (индикатор); этиловый спирт.

Описание  работы:

1. Приготовляют в шести колбах раствор  уксусной кислоты следующих концентраций 0.012 М; 0,025М; 0,05М; 0,1М; 0,2М; 0,4М и в трех колбах раствор этилового спирта 32%, 18%, 10%.
2. Титрованием раствора уксусной кислоты до добавления адсорбента определяют ее первоначальную концентрацию С₀ в пересчете на миллилитры 0,1 М раствора гидроксида натрия, а титрованием    фильтрата — ее концентрацию С после адсорбции:

   (1)

3. Далее в три колбы наливают по 40 мл уксусной кислоты концентрацией 0.012М и прибавляют по 1.2 г, в первую – уголь активированный, во вторую – смекту, а в третью – глину. Затем тщательно взбалтывают все колбы в течение 10 мин. Отфильтровывают отдельно содержимое каждой колбы через бумажные фильтры. Отобрав из фильтратов пробы пипеткой в таких же количествах, какие были взяты для  первоначального  титрования (25 мл),   определяют титрованием   концентрацию   уксусной   кислоты.  И проводят этот же опыт со всеми концентрациями уксусной кислоты. Разность между результатами первого    титрования   и   второго (после пересчета   на  40 м)   дает   количество   уксусной кислоты.
4. Для определения величины адсорбции спирта используем ареометр. Берем этиловый спирт(80%) и разбавляем в следующих соотношениях 1:2; 1:4; 1:6 с помощью ареометра проверяем его концентрацию. После чего берем три колбы с 40 мл 32% этилового спирта и добавляем по 1.2 г адсорбента, в первую колбу – активированный уголь, во вторую – смекту, в третью – глину. Затем тщательно взбалтывают все колбы в течение 10 мин. Отфильтровывают отдельно содержимое каждой колбы через бумажные фильтры. Отобрав из фильтратов пробы пипеткой в таких же количествах, какие были взяты для первоначального определения концентрации (60 мл).  И все тоже проделывают с остальными концентрациями.

Анализ  исследования:

1. Рассчитываем концентрацию уксусной кислоты после адсорбции по формуле:     (2)

Величину  адсорбции уксусной кислоты на поверхности  твердых адсорбентов определяем по следующей формуле:   .                                           

Определение величины адсорбции  в зависимости  от температуры.

Методика  исследования влияния температуры  на адсорбцию.

Цель  работы:

4. Наблюдать адсорбцию на границе жидкой и твердой фаз.
5. Построить график зависимости адсорбции от температуры.
6. Выявить эффективность разных адсорбентов при изменении температуры.

Оборудование  и реактивы:

 Шесть колб на 250 мл с корковыми пробками; шесть конических колб на 150 мл; пипетка на 50 мл; пипетка на 25 мл; пипетка на 10 мл; пипетка на 5 мл; бюретка на 50 мл с делениями в 0,1 мл; шесть воронок для фильтрования; водяная баня; термометр; фильтровальная бумага; активированный уголь, смекта, глина; растворы 2 М СН₃СООН; 0,1 М NaOH, фенолфталеина (индикатор); этиловый спирт.

Описание  работы:

1. Приготовляют в колбах раствор  уксусной кислоты следующей концентрации 0.012; и спирта 18 %. Концентрацию уксусной кислоты определяют титрованием NaOH   (индикатор — фенолфталеин), концентрацию спирта определяют при помощи ареометра, до и после адсорбции.
2. Титрованием раствора уксусной кислоты до добавления адсорбента определяют ее первоначальную концентрацию С₀ в пересчете на миллилитры 0,1 М раствора гидроксида натрия, а титрованием    фильтрата — ее концентрацию С после адсорбции:

   (1)

3. В две колбы с уксусной кислотой (40 мл) вносят 1.2 г активированного угля и 1.2 г смекты. Закрывают колбы корковыми пробками  и на водяной бане нагревают до 25⁰С, тщательно при этом взбалтывая колбы в течение  10 мин. Отфильтровывают отдельно содержимое каждой колбы через бумажные фильтры. Далее все повторяют, но нагревают, уже до 30⁰С и до 40⁰ С. После нагревания отобрав из фильтратов пробы пипеткой в таких же количествах, какие были взяты для  первоначального  титрования (25 мл), определяют титрованием концентрацию   уксусной   кислоты.
4. Для определения величины адсорбции спирта используем ареометр.

В две  колбы с этиловым спиртом вносят по 1.2 г активированного угля и  смекты. Закрывают колбы корковыми пробками  и на водяной бане нагревают до 25⁰ С, тщательно при этом взбалтывая колбы в течение 10 мин. Отфильтровывают отдельно содержимое каждой колбы через бумажные фильтры. Далее все повторяют, но нагревают уже до 30⁰ С и до 40⁰ С.

5. Определяют величину адсорбции с увеличением температуры.

     Анализ исследования:

2. Рассчитываем концентрацию уксусной кислоты после адсорбции по формуле:       (2)

Данные  заносим в таблицу.

3. Определяем концентрацию спирта при помощи ареометра по плотности.
4. Рассчитываем величину адсорбции уксусной кислоты и этилового спирта по формуле:    .

Данные  заносим в таблицу и строим график изменения адсорбции от температуры  и концентрации. 

Приложение 3.

Нами  предлагается серия домашних опытов по теме « Адсорбция», которые будут  способствовать развитию интереса к  предмету и помогут учащимся более  осознано усваивать основы научных  знаний.

С физико-химическим явлением, о котором сейчас пойдет речь, знаком, наверное, каждый, хотя, может быть, не все знают, что оно называется адсорбцией. Если даже вы и не проходили адсорбцию на уроках, наблюдали вы ее неоднократно.  Как только вы сажаете    кляксу на бумагу или, что гораздо хуже на одежду так сразу и знакомитесь с этим явлением.  Когда поверхность одного вещества   (бумаги,   ткани   и   т.   д.)   поглощает  частицы   другого вещества  (чернил и проч.), это и есть адсорбция.

Очень хороший адсорбент — уголь. Причем не каменный, а древесный, и не просто древесный, а активный.

Опыт 1.

Приготовьте  раствор чернил любого цвета и налейте в пробирку, но не доверху. Положите в пробирку таблетку активированного угля закроите пальцем и встряхните, как следует. Раствор посветлеет на глазах. Поменяйте раствор на какой-либо другой, но тоже окрашенный — пусть это будет разбавленная гуашь или акварель. Эффект окажется таким же. А если взять просто кусочки древесного угля, то они будут поглощать краситель значительно слабее.

Активный уголь отличаются тем, что у него гораздо большая поверхность. Его частицы буквально пронизаны порами (для этого уголь особым способом обрабатывают). Адсорбенты способны поглощать вещества не только из растворов.

Опыт 2.

Возьмите  пол-литровую стеклянную банку и капните туда каплю одеколона или другого пахучего вещества. Обхватите банку ладонями и подержите ее так с полминуты, чтобы немного нагреть пахучую жидкость — тогда она будет быстрее испаряться и сильнее пахнуть. Каким бы ни был запах, вы его, конечно, почувствуете явственно. Теперь положите в склянку немного активного угля, закройте ее плотно крышкой и оставьте на несколько минут. Снимите крышку и направьте воздух к себе взмахами ладони. Запах исчез. Он поглотился адсорбентом, или, точнее, поглотились молекулы летучего вещества, которое вы поместили в банку.

Не обязательно  брать для этих опытов активный уголь.   Есть   много   других   веществ,   которые   могут служить адсорбентами: туф, сухая размолотая глина,  промокательная бумага. Словом, самые разные вещества, но обязательно с развитой   поверхностью.

В том  числе и некоторые пищевые  продукты — наверное, знаете, как легко хлеб впитывает посторонние запахи. Недаром пшеничный хлеб не советуют держать в одной упаковке с ржаным — их запахи смешиваются, и каждый теряет свои особый, только ему присущий аромат.

Очень хороший адсорбент — воздушная  кукуруза, или кукурузные палочки, столь  любимые многими из нас. Конечно, тратить на опыт пакет или даже четверть пакета нет смысла, но несколько штук. Попробуем.

Опыт 3.

Предыдущий  опыт с пахучими веществами повторите в присутствии кукурузных палочек — и запах совершенно исчезнет. Конечно, после опыта есть палочки уже нельзя.

Опыт 4.

Вернемся  к опыту с получением диоксида углерода (углекислого газа). Заполните этим газом две пробирки, причем в одну положите кукурузные палочки и встряхните несколько раз. Далее, как и прежде, проделайте опыт с известковой водой (можно просто «наливать» в нее газ из пробирок — он  тяжелее воздуха). Будет ли разница в поведении известковой воды? Да, будет. Жидкость станет мутной только в том стакане, в который «вылили» газ, не обработанный адсорбентом. А из другой пробирки, той, где были кукурузные палочки, диоксида углерода не извлечь: его поглотил адсорбент.

В сосуд  с окрашенным газом поместите  адсорбент, встряхните несколько раз — и окраска, ее не исчезнет совсем, то заметно ослабеет.

Сейчас  на многих кухнях над газовыми плитами  ставят разнообразные устройства для  очистки воздуха от чада и дыма. В таких устройствах, помимо прочего, есть патрон с каким-либо адсорбентом, через который прогоняют загрязненный воздух. Что при этом происходит, вы теперь знаете. А когда вся поверхность будет занята посторонними, «впитанными» из воздуха частицами, патрон заменяют свежим.

ля ведь известно, хорошо ли пахнет то вещество, рос в склянке. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Приложение 4. 

Анализ  глины мы проводили на занятиях с  учащимися 10-11 классов в кабинете химии. 

Определение состава местных глин.

Определение в фильтрате ионов Са2+, Mg2+ и  расчет w(CaO) и w(MgO)

цинка в присутствии индикатора ксиленолового оранжевого. Ионы щелочно-земельных металлов определению не мешают.   присутствии

 Из  кислого раствора (фильтрата), полученного после разложения глины, аммиаком осаждали ионы Fe^3+, Al³⁺ и Ti⁴⁺ в  виде гидроксидов. 

Их аморфные осадки легко пептизируются, поэтому для увеличения размера частиц осаждение проводят при нагревании. Этому способствуют электролиты - коагулянты NH₄C1 и NН₄NОз, которые образуются в процессе осаждения. Прокаливание осадков лучше проводить при возможно более высокой температуре (1000-1200 ^ОС), так как в этих из кислого раствора (фильтрата), полученного после разложения глины, аммиаком осаждали ионы Fe^3+, Al³⁺ и Ti⁴⁺ в  виде гидроксидов, в этих условиях образуется негигроскопичный оксид алюминия. Массу осадка определяли взвешиванием на технохимических весах с точностью до 0,01 г.

Чтобы сделать вывод о наличии в  исследуемой породе титана, сравнивали суммарную массовую долю оксидов Al₂Оз, Fе₂0з и ТiО₂  с суммой массовых долей Al₂Оз и Fе₂0з, полученных комплексонометрическим методом. Если w(А1₂0з + Fе20з + Тi02) превышает сумму w(Al₂Оз) и w(Fе₂0з), то в образце глины присутствует титан. Более точно его содержание можно определить колориметрическим методом с пероксидом водорода.

После отделения смеси гидроксидов в новом фильтрате определяли концентрацию ионов Са2+ и Mg2+ титрованием трилоном Б  в присутствии

индикаторов - кислотного хрома черного  и  мурексида. Сначала определяли суммарное количество этих ионов, затем – содержание ионов кальция, которые образуют с мурексидом в щелочной области комплекс красного цвета. При титровании этот комплекс разрушается, ионы Са²⁺ связываются трилоном Б в более прочный комплекс и мурексид окрашивает раствор в фиолетовый цвет. Содержание ионов Mg2+ находили расчетным способом.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 

Реактивы: смесь минеральных кислот к 100 мл воды при перемешивании прибавляют 45 мл H₂S0₄ (р = 1,84 г/мл), после охлаждения приливают 53,5 мл НС1 (р = 1,19 г/мл) и 4,5 мл НNОз (р = 1,4 г/мл)j раствор сульфосалициловой кислоты (w = 25 %); раствор трилона Б (е = 0,05 моль/л); раствор аммиака (w = 10 %); ацетатный буферный раствор(рН = 5,4) - к 60 мл раствора СНзСООН(е = 1 моль/л) прибавляют 50 мл раствора NaOH (е = 1 МОЛЬ/Л), водный раствор ксиленолового оранжевого

(w = 0,5 %); растворZnC1₂ (ZnS0₄) (е = 0,05 моль/л); растворNН₄NОз (w = 2 %); аммиачный буферный раствор - 10 мл 20 %-ного раствора NH₄C1 смешивают с 10 мл 20 %-ного раствора аммиака и разбавляют водой до 100 мл; кислотный хром черный и мурексид - 1 %-ная смесь индикатора с твердым NaC1; раство NaOH (е = 2 моль/л); универсальная индикаторная бумага.

Оборудование: фарфоровая чашка d = 8 см, мерные цилиндры на 50 и 100 мл, мерная колба на 500 мл, колбы для титрования вместимостью 200 мл, бюретки, фарфоровый тигель, тигельные щипцы, электроплитка, сушильный шкаф, муфельная печь, обеззоленные фильтры.

Разложение  глины и определение содержания Si0₂

Навеску измельченной и высушенной при 105-110 ⁰ С, глины массой 1-2 г помещали в фарфоровую чашку и приливали 30 мл смеси кислот. Смесь выпаривали на электроплитке в течение 15 мин до объема 5-10 мл (под тягой).

Под действием  кислот происходит растворение глинистых минералов с образованием солей. Красная окраска глины исчезает, и раствор приобретает зеленоватый цвет. В осадке остаются кремниевые кислоты, которые при нагревании разлагаются на оксид кремния и воду.

Чашку с раствором и осадком охлаждали, добавляли в нее 50 мл воды, перемешивали содержимое и нагревали 10мин при 80-90 ⁰С до полного растворения образовавшихся солей. Горячий раствор с осадком сливали при помощи стеклянной палочки на обеззоленный фильтр, фильтрат собирали в мерную колбу и доливали водой дометки. Осадок на фильтре промывали горячей водой, высушивали, помещали во взвешенный тигель, озоляли и прокаливали в муфельной печи при 900 ⁰ С  до постоянной массы. Исходя из массы прокаленного осадка и массы глины, вычисляли массовую долю Si0₂.

Определение ионов Fе^З+ и содержания Fе₂Оз

В отдельной  порции фильтрата обнаруживали ионы Fe³⁺ действием желтой кровяной соли K4[Fe(CN₎₆]или роданида калия KSCN по характерному окрашиванию: