Бутиловый спирт

Содержание 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      1 Цель работы

      1. Определить  поверхностное  натяжение  водных  растворов  ПАВ  заданных  концентраций методом наибольшего давления газовых пузырей (метод Ребиндера). Построить изотерму поверхностного натяжения.

      2. По построенной изотерме поверхностного натяжения и уравнению изотермы адсорбции Гиббса графически вычислить величину адсорбции при заданных концентрациях.

      3. Используя уравнение изотермы адсорбции Ленгмюра и вычисленные значения адсорбции, найти   графически   значение   предельной   адсорбции   и   константы   адсорбционного равновесия.

      4. Используя   значение   предельной   адсорбции,   рассчитать   площадь,   занимаемую   одной молекулой ПАВ и толщину адсорбционного слоя на границе раздела раствор-воздух.

      5. Определить поверхностное  натяжение водных растворов ПАВ тем же методом  после адсорбции ПАВ на активированном угле. Используя полученные значения поверхностных натяжений   и ранее   построенную   изотерму   поверхностного   натяжения   (п.1),   найти равновесную концентрацию ПАВ в растворе после адсорбции на активированном угле и вычислить адсорбцию.

      6.   Найти максимальное значение адсорбции. Вычислить удельную поверхность угля. 
 
 
 
 

      2 Теоретическая часть

      Гетерогенные  системы характеризуются развитой поверхностью раздела фаз. Поверхностный слой в таких системах находится в особых условиях: молекулы дисперсного сдоя поверхностной фаза граничат с молекулами разных фаз, в результате чего равнодействующая молекулярных сил в этом слое не равна нулю. При переносе молекул из объема в поверхностный слой необходимо совершить работу против сил межмолекулярного сцепления. Эта работа равна:

      А_{т р} =σ - S

      где     S - поверхность раздела фаз;

      σ- коэффициент пропорциональности, называемый поверхностным натяжением.

 По физическому смыслу σ- обратимая изотермическая работа образования 1 см² поверхности. Поверхностное натяжение является количественной мерой молекулярных взаимодействий на границе раздела фаз. Явления, связанные с особенностями поверхностного слоя, называются поверхностными явлениями. Поверхностное натяжение можно измерять непосредственно только в условиях обратимого изменения поверхности. Вещества, характеризующиеся сильными межмолекулярными взаимодействиями с молекулами растворителя, в поверхностный слой практически не переходят. Такие вещества называются поверхностно-инактивными (ПИАБ). Вещества, характеризующиеся слабым межмолекулярным взаимодействием с молекулами растворителя, концентрируются в поверхностном слое и называются поверхностно-активными веществами (ПАВ). Эти вещества при растворении снижают поверхностное натяжение чистого растворителя (σ₀).

      К классу ПАВ (в случае водных растворов) относятся многие органические соединения: жирные кислоты и их соли, спирты, эфиры, амины, аминокислоты, белки и другие. Удельной характеристикой поверхностного слоя является адсорбция (Г).

     Адсорбция - изменение концентрации растворенного вещества в поверхностном  слое по сравнению с объемной фазой, отнесенной к единице площади поверхности,

     Количественная  связь между адсорбцией (Г), концентрацией  растворенного вещества в растворе (С) и поверхностным натяжением (а ) устанавливается уравнением Гиббса: 

где    R  - универсальная газовая постоянная;  R = 8,31 Дж / моль* град

  Т  - температура, К°.

Описание  лабораторной установки

     Для измерения поверхностного натяжения удобно пользоваться прибором, разработанным академиком П. А. Ребиндером. Он состоит из сосуда Ребиндера (1), водного аспиратора (3), создающего в системе разрежение. Сосуд плотно закрывается резиновой пробкой, через которую проходит трубка (4), заканчивающаяся капиллярным кончиком. Во время опыта капиллярный кончик погружен в жидкость так, чтобы он едва касался поверхности.

Рисунок 1

1 - сосуд  Ребиндера; 2 - манометр; 3 - водный аспиратор; 4- трубка; 5 - Стакан для воды Разрежение в установке создается при сливе воды из аспиратора в стакан (5). Величину разрежения удобно регулировать краном (6). Если капиллярный кончик опущен в жидкость и в установке создается разрежение, то при некотором давлении из капилляра выскочит пузырек воздуха. Это происходит в момент, когда избыток внешнего давления оказывается достаточным для преодоления поверхностного натяжения жидкости. Между давлением в момент проскока пузырька Р и величиной поверхностного натяжения σ существует зависимость:

где г —  радиус капилляра.

Для двух жидкостей  с поверхностным натяжением и получаем:

 и 

Разделив первое на второе, получим:  

      Давление в этом уравнении можно заменить разностью высот жидкости в манометре, т. е. 

      Для вычислений необходимо знать  и Поэтому работу начинаем с измерения h дистиллированной воды. В сосуд Ребиндера наливаем столько воды, чтобы в плотно закрытом резиновой пробкой сосуде капиллярный кончик только касался поверхности воды. Открываем кран (6) аспиратора (3) таким образом, чтобы пузырьки воздуха проскакивали через капиллярный кончик со скоростью 10 - 15 в минуту.

      Нельзя  допускать образования устойчивых гроздьев пузырьков. В момент проскока пузырьков отмечаем максимальную высоту поднятия жидкости в манометре. Установленная  частота проскока пузырьков воздуха поддерживается постоянной в течение всей работы. Отсчет уровня жидкости производим три раза. Так как σ воды зависит от температуры, необходимо записать температуру, при которой выполняется работа.

      Затем приступаем к измерению поверхностного натяжения изучаемых растворов. Следует помнить, что h₁ - это разность между первоначальным уровнем жидкости в манометре (до соединения с сосудом Ребиндера) и уровнем жидкости в манометре в момент проскока пузырька.

      Первоначальный  уровень жидкости в манометре  измеряется один раз до начала работы. Необходимо следить, чтобы вода и растворы не попали в соединительные трубки, т.к. в этом случае результаты искажаются. 

3  Экспериментальная часть 

Задание к работе:

Поверхностно-активное вещество – бутиловый спирт. Наибольшая концентрация раствора 0,5 моль/л.

Выполнение  работы:

  1) Приготовление растворов

Расчёт приготовления 100 мл раствора максимальной концентрации. Молярная концентрация раствора определяется по уравнению: 
 

 

где ν – количество вещества, моль,

V - объем раствора.  

где М=74,12 г/моль – молекулярная масса бутилового спирта,

V – объем бутилового спирта,

ρ= 0,8098 г/см - плотность бутилового спирта. 

Подставляя одно уравнение в другое, находим объем бутилового спирта, необходимый для приготовления раствора наибольшей концентрации. По условию  С=0,5 М.=0,5моль/л = 0,0005 моль/мл. 

 

    Растворы  готовим посредством разбавления  раствора максимальной концентрации. 4,6 мл бутилового спирта отмеряем пипеткой в мерную колбу на 100 мл и доводим до метки дистиллированной водой. Раствор перемешиваем встряхиванием. Отмеряем мерной колбой 50 мл приготовленного раствора и разделяем этот объём в заранее подписанные сухие колбы пополам. К оставшимся 50 мл раствора добавляем 50 мл воды и т.д. Разбавлении производим 5 раз.

     В   три   раствора   с   наибольшей   концентрацией   бутилового   спирта  добавляем   1   г  активированного угля.

2) Определение высот  поднятия жидкости  в манометре.

    Сначала определяем высоту поднятия жидкости в манометре, залив в сосуд Ребиндера дистиллированную воду. Затем заливаем в сосуд исследуемые растворы от меньшей концентрации к большей. Измерения проводим по два раза. Для расчётов берём среднее значение.

    Вычисляем поверхностное натяжение приготовленных растворов. Полученные данные заносим в таблицу 1.

                                                                                                                             Таблица 1

    Поверхностное натяжение водных растворов ПАВ на границе раздела

    раствор- воздух.

                          Первоначальный уровень отсчета 83 мм 

 
 
 

3)Строим  график   
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                                                                                                      Рисунок 2 

 
 

4) Расчет адсорбции  ПАВ

    

При данных концентрациях  рассчитываем адсорбцию ПАВ. Для  этого на изотерме поверхностного натяжения ( рис.2) в указанных точках проводим касательные до пересечения их с осью абсцисс. На графике находим значения z, выраженные в Дж/м .

    

Адсорбцию вычисляем  по формуле: 
 

Для точки 1 z = 0.00464 Дж/м . Вычислим адсорбцию: 

Для всех остальных  точек расчет аналогичен. Полученные данные заносим в таблицу 2. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    

Таблица 2

    

Адсорбция ПАВ  на границе раздела раствор– воздух

    

R=8.31 Дж/моль*град, Т=295 К 

 
 

    

Рисунок 3 
 
 
 

 
 
 
 
 
 

5) Графически вычисляем значения предельной адсорбции и К – константы адсорбционного равновесия (рис.4). Для построения графика используем данные таблицы 2. 
 

Рисунок 4

 
 
 

Из рисунка 4 следует:

Из уравнения  Ленгмюра в линейной форме ( ) следует, что на рис.4 равен предельной адсорбции .

         Прямая на рис. 4 отсекает отрезок на оси ординат равный (следует из уравнения Ленгмюра в линейной форме). По рисунку находим . Определяем константу адсорбционного равновесия:

         Итак, моль/м², . 

6) Расчёт площади,  занимаемой одной  молекулой.

         Площадь, занимаемую одной молекулой,  определим по уравнению:

,

где - число Авогадро.

м² 

7) Расчёт толщины  адсорбционного слоя.

         Толщину адсорбционного слоя  определяем по выражению:

где г/моль – молекулярная масса изоамилового спирта,

 г/см³ – плотность изоамилового спирта.

 м.   

8) Определение адсорбции  на угле.

         Определяем высоты поднятия жидкости  в манометре, залив в сосуд  Ребиндера фильтраты растворов  с углём. Измерения проводим по два раза. Для расчётов берём среднее значение. Вычисляем поверхностное натяжение растворов после адсорбции. По рис. 2 определяем равновесную концентрацию на угле. Полученные данные заносим в таблицу 3.

         Найдём адсорбцию ПАВ из раствора  по уравнению:

,

где и - начальная и равновесная концентрация ПАВ, моль/л,

       - масса твёрдого адсорбента, г,

       - объём раствора из которого происходит адсорбция, л.

Для раствора 1:

 моль/г.

Для остальных  растворов расчёт аналогичен. Полученные данные сводим в таблицу 3. 

Таблица 3

Поверхностное натяжение растворов ПАВ после  адсорбции на твердом адсорбенте

Первоначальный  уровень отсчета 57 мм

 
 

9) Удельная поверхность  активированного угля.

         Удельную поверхность адсорбента  определим по формуле:

где Г – наибольшая адсорбция ПАВ на твёрдом адсорбенте.

 м²/г

                                                                
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Вывод 

         В данной работе мы изучали  адсорбцию ПАВ на границе разделе  жидкость-газ и жидкость- твёрдое  тело. Для этого был проведены  измерения поверхностного натяжения  водных растворов бутилового  спирта различной концентрации  и поверхностного натяжения тех же растворов после адсорции на активированном угле.

         Прослеживаются следующие закономерности: с увеличением концентрации раствора  уменьшается поверхностное натяжение  (табл.1, рис.2) и увеличивается адсорбция  ПАВ на границе раздела раствор-воздух (табл.2, рис.3). После адсорбции на активированном угле увеличивается поверхностное натяжение раствора и уменьшается концентрация раствора (табл.3).

         Проведя расчёты получили следующие  величины:

         толщина адсорбционного слоя  м

         площадь, занимаемая одной молекулой  м²

         удельная поверхность адсорбента  м²/г.

 

Список  использованной литературы

1. Методические указания к лабораторным работам по дисциплине «Коллоидная химия». – Горький: ГПИ им. А.А.Жданова, 1983. – 41с.

2. Лабораторные  работы и задачи по коллоидной  химии. – Под ред. Ю.Г.Фролова.  – М.: «Химия», - 216 с.