Схема методичної вказівки для студентів

 

1. Адсорбція на поверхні рідин. Визначення впливу ПАР на величину поверхневого натягу.

2. Адсорбція на поверхні твердих адсорбентів.

3. Іонообмінна адсорбція.

Властивості молекул у поверхневому шарі і в об’ємі системи суттєво відрізняються між собою. В організмі людини, як відомо, є рідини з різним молекулярним складом (кров, лімфа, сеча, спинномозкова рідина, тощо). Деякі з компонентів цих рідин (жовчні кислоти) є поверхнево-активними речовинами, тобто зменшують величину поверхневого натягу, що має суттєве значення в процесі травлення.

Адсорбційні явища на твердих адсорбентах широко використовуються на практиці для очистки  харчових продуктів (цукор, спирт, тощо), для очистки води як у промисловості, так і в побуті. У медицині при різних патологічних станах, які супроводжуються інтоксикацією організму, використовують ентеро- та гемосорбенти.

Іонообмінні смоли широко застосовуються для знесолення води, декальцинування крові при її консервуванні. Іонітии використовують для беззондового дослідження кислотності шлункового соку, очистки  фармпрепаратів та визначення ступеня їх чистоти , для зв’язування в шлунково-кишковому тракті отруйних речовин.

1.      Поверхневі явища та їх значення Поверхнева енергія та поверхневий натяг.

 

Виникнення поверхневих явищ зумовлено силами міжмолекулярної взаємодії, котрі особливо яскраво виявляються на міжфазних межах поділу.

Довільно обрана молекула  в об’ємі рідини або іншої фази притягується усіма оточуючими молекулами, розміщеними на відстані порядку радіусу сфери дії молекулярних сил 5 ~ 10′⁹ м. Внаслідок симетричного розташування частинок сили притяжіння між ними взаємно урівноважуються і їх рівнодіюча дорівнює нулю. Для молекул поблизу поверхні частина сфери дії міжмолекулярних сил міститься в іншій фазі (наприклад, у газі). Інтенсивність міжмолекулярної взаємодії у газі менша, ніж у рідині, бо концентрація молекул у газоподібній фазі незрівнянно менша, ніж у рідкій. Рівнодіюча міжмолекулярних сил у цьому випадку не рівна нулю і направлена перпендикулярно до поверхні поділу фаз. Ця сила, віднесена до одиниці площі поверхні поділу, називається внутрішнім тиском.

Отже, молекули, розташовані поблизу геометричної поверхні поділу на відстані, меншій σ, завжди перебувають під дією сили, яка намагається втягнути їх усередину фази. Цим пояснюється прагнення рідини зменшити поверхню до мінімальної. З курсу математики відомо, що поверхня кулі буде найменшою при даному об’ємі, і тому крапля рідини мас сферичну форму при відсутності гравітаційного поля.

Збільшення площі поверхні поділу фаз зв’язане з переходом молекул із глибини фази на поверхню, для чого необхідно виконати роботу проти сил внутрішньою тиску. Ця робота dW в оборотних ізотермічних умовах пропорційна площі поверхні dS, яка утворюється:

-dW = σ ^. dS                                                       

де σ — коефіцієнт пропорційності, який називається поверхневим натягом. Фізичний зміст σ полягає в тому, що він чисельно дорівнює роботі утворення одиниці поверхні. Робота, витрачена на збільшення площі поверхні, перетворюється у потенційну енергію молекул поверхневого шару. Звідси випливає, що молекули поверхневого шару набувають надлишкового запасу енергії порівняно з молекулами усередині фази, який називається поверхневою енергією. В залежності від умов (р = const або V = const) збільшується енергія Гіббса (G^S або енергія Гельмгольца F⁵. Тоді фізичний зміст поверхневого натягу може бути розшифрований із врахуванням

                                         

як питома надлишкова поверхнева енергія. Розмірність поверхневого натягу [σ] = Дж/м² = Н/м. Величина ст є важливою молекулярною константою (при Т = const). Разом з такими параметрами, як дипольний момент μ поляризовність а та діелектрична проникність є, вона характеризує інтенсивність поля молекулярних сил, яка позначається загальним терміном полярність рідини. Нижче наведені значення поверхневого натягу для деяких рідин на межі з повітрям при 20 °С.

Поверхневий натяг на межі поділу рідини і газу, або двох ріднії, ідо не змішуються, визначають експериментально різними методами, які детально описані у практичних посібниках. Пряме визначення σ твердих тіл неможливе, тому його оцінюють опосереднено.

З термодинаміки випливає, що будь-яка гетерогенна система прагне зменшити до мінімуму поверхневу енергію G^S =σ ^. S (при р і Т = const). Це виражається або в самодовільному зменшенні міжфазної поверхні (при перекристалізації із насичених розчинів дрібні кристали самодовільно зростають; у дисперсних системах відбуваються процеси коагуляції, тобто змінюються форма та кривизна поверхні), або у зменшенні поверхневого натягу (процеси адсорбції тощо).

Отже, наявність у міжфазних шарів надлишкової вільної енергії призводить до різноманітних поверхневих явищ. Їх можна умовно розділити на дві групи. До першої групи відносять явища, зв’язані із зміною форми поверхні поділу (змочування, адгезія тощо). До другої групи відносять, наприклад, адсорбцію, пов’язану із зміною складу поверхневого шару.

 

2.     Сорбційні процеси та їх класифікація.

 

Якщо внести у водний розчин оцтової або іншої карбонової кислоти тверду речовину, наприклад, порошок активного вугілля, то на поверхні поділу фаз, що утворилася, відбудеться накопичення молекул розчиненої речовини. Причому далі поверхневого шару це переміщення молекул не відбувається. Аналогічне явище буде спостерігатися при контакті вугілля з повітрям, в якому є фосген, хлор, або інші гази у стані, далекому від насичення.

Розглянемо інший приклад. Якщо порошок оксиду кальцію привести у контакт із диоксидом вуглецю, диспергованим у повітрі, то збільшення концентрації газу у поверхневому шарі буде супроводжуватися хімічною реакцією з утворенням нової твердої фази — карбонату кальцію. Крім цього, диоксид вуглецю буде проходити із поверхневого шару усередину зерен порошку, утворюючи і там карбонат кальцію. Отже, процес відбувається не тільки на поверхні, але й у об’ємі системи.

Наведені приклади не вичерпують всіх явищ, які мають місце у гетерогенних системах і зв’язані із зміною концентрації компонентів. Усі подібні процеси Дж. Мак-Бен назвав сорбційними. Отже, сорбцією називають зміну концентрації одного або декількох компонентів у гетерогенній системі. Сорбентами називаються поглинаючі речовини, незалежно від їх агрегатного стану і ступеню дисперсності (наприклад, тверді сорбенти — активне вугілля, силікагель; рідкий сорбент — краплі емульсії; газоподібний сорбент — бульбашки піни).

Розглянемо в першу чергу тверді сорбенти. Процеси, які завершуються в поверхневому шарі, можна розділити на адсорбцію та поверхневі хімічні реакції. Приклади адсорбції хлору із повітря та з розчину на вугіллі були наведені вище. Поверхнева хімічна реакція відбувається, наприклад, між вугіллям та киснем повітря, внаслідок чого утворюються оксиди різного складу із кислотними та основними властивостями, але в системі не  утворюється нова фаза

Ці процеси були вперше вивчені М. О. Шиловим та його школою.

Процеси, які проходять не тільки на поверхні, але й у об’ємі івердого сорбенту, поділяють на абсорбцію, хемосорбцію і капілярну конденсацію. Прикладом абсорбції може служити поглинання водню платиною або нікелем. Хемосорбція спостерігається при поглинанні диоксиду вуглецю оксидом кальцію, вона супроводжується збільшенням кількості фаз у системі, на відміну від поверхневих хімічних реакцій. Капілярна конденсація відбувається при контакті пористих сорбентів із парою, яка легко конденсується: води, спирту, бензолу та інших рідин. На поверхні рідин або газів різного ступеню дисперсності сорбційним процесом буде адсорбція, наприклад, на межі поділу повітря—рідина, або рідина—рідина, як це має місце у пінах або емульсіях.

Абсорбція спостерігається при поглинанні інертного газу усім об’ємом рідкої фази, а хемосорбція — при хімічній взаємодії, наприклад, при поглинанні аміаку краплями води або розчином хлороводневої кислоти. На відміну від хемосорбції на твердих горбентах, у такому випадку звичайно відсутні умови створення нової фази.

З усіх наведених явищ адсорбція найбільш поширена у природі, вона відіграє важливу роль у процесах життєдіяльності рослинних та тваринних організмів і людини. Велике значення адсорбція має для колоїдної хімії, гетерогенного каталізу, у фармації.

3. Адсорбція: основні поняття та визначення.

Термодинамічне рівняння адсорбції Гіббса.

 

Адсорбцією називається процес самочинної зміни концентрації компонента у поверхневому шарі, порівняно із об’ємом фази.

Зміні концентрації речовини у поверхневому шарі, яка проходить в результаті дії міжмолекулярних сил, буде перешкоджувати тепловий рух молекул, що намагається вирівняти концентрацію компонента в усіх частинах системи. Внаслідок дії цих протилежних факторів у системі через деякий час встановлюється адсорбційна рівновага, при якій концентрація речовини у поверхневому шарі буде більшою (позитивна адсорбція) або меншою (негативна адсорбція), порівняно з її концентрацією у об’ємі фази.

Речовину, на поверхні якої проходить адсорбція, називають адсорбентом. Речовину, концентрація якої змінюється у поверхневому шарі, називають адсорбтивом (іноді адсорбатом).

Кількість адсорбованої речовини визначають експериментально, знаходячи тиск або концентрацію адсорбтиву до і після адсорбції. Часто кількість речовини, яка адсорбована твердим тілом, визначають ваговим методом за зміною маси адсорбенту.

Адсорбцію прийнято виражати кількома способами:

1. Запропонованою Гіббсом величиною Г, яка дорівнює різниці між фактичною кількістю адсорбтиву в об’ємі поверхневого шару площею 1 м² та кількістю його у такому ж об’ємі фази, при умові, що біля міжфазної межі концентрація адсорбтиву не змінюється.

2. Величиною А (або а), яка представляє собою кількість адсорбтиву, що міститься в об’ємі адсорбційного шару і припадає на одиницю поверхні адсорбенту (абсолютна адсорбція). Для пористих твердих адсорбентів точно визначити площу поверхні важко і в таких випадках адсорбцію відносять до одиниці маси адсорбенту (моль/кг).

Значення А не збігається із гіббсовською величиною адсорбції Г, тому що воно дорівнює загальній кількості адсорбтиву в поверхневому шарі, а Г — надлишок адсорбтиву в цьому шарі порівняно з об’ємом фази. Однак якщо взяти до уваги, що при адсорбції газів та пари, а також речовин із розведених розчинів кількість адсорбтиву в об’ємі набагато менша, ніж у поверхневому шарі, то і А мало відрізняється від-істинної адсорбції Г, тобто можна .вважати А ~ Г.

Внаслідок адсорбції відбувається насичення частини незба-лансованих сил взаємного притягання молекул, яке приводить, при р = const, до зменшення енергії Гіббса (ΔG < 0), а при V = const — енергії Гельмгольца (ΔF < 0). Тобто адсорбція є само-довільним процесом і ΔG має від’ємне значення ΔG = ΔH–TΔS < 0. Якщо взяти до уваги, що до адсорбції молекули адсорбтиву можуть рухатися у трьох напрямках, а, будучи адсорбованими, вони або міцно утримуються поверхнею, або рухаються по ній у двох напрямках, то процес адсорбції буде супроводжуватися зниженням ентропії ΔS < 0). Звідси випливає, що ΔH < 0, тобто адсорбція є екзотермічним процесом.

Теплота адсорбції ΔH є важливою термодинамічною характеристикою адсорбційного процесу. Вона може бути мірою інтенсивності сил взаємодії молекул адсорбтива з поверхнею адсорбенту.

Дж. Гіббс застосував закони термодинаміки до поверхневих явищ і не ураховуючи природи сил, які приводять до адсорбції речовин на межі поділу фаз, та механізму явища, вивів рівняння зв’язку між адсорбцією Г та зміною поверхневого натягу о- з концентрацією розчину. Так, для розрахунку адсорбції в реальному розчині придатне рівняння Гіббса у такій формі:

                                                 

де а — рівноважна активність речовини у об’ємі розчину.

У розведених розчинах можна вважати a su с, де с — рівноважна концентрація речовини, тоді рівняння застосовують у менш строгому запису

                                       

Для ідеальних газів

                                       

Отримане Гіббсом рівняння ізотерми адсорбції є найважливішим термодинамічним рівнянням, справедливим для будь-яких складів та різних меж поділу фаз: рідина—газ, газ—тверде тіло, рідина—рідина. Для теоретичного розрахунку адсорбції необхідно знати

, яку знаходять із експериментальне отриманої залежності σ = f(c). Але на сьогодні не існує надійних прямих методів вимірювання ет на межі твердих тіл з газом або розчином, тому рівняння Гіббса практично застосовується для розрахунку адсорбції тільки на рідких поверхнях.

З рівняння Гіббса випливає, що при , а при    

П. О. Ребіндер (1924) запропонував величину                      прийняти за міру здатності речовини знижувати вільну поверхневу енергію на даній межі поділу, позначивши її g та назвавши поверхневою активністю:

Поверхнева активність є важливою адсорбційною характеристикою речовини, яка визначає її властивість та області застосування.

Якщо із збільшенням концентрації речовини поверхневий натяг на межі поділу фаз знижується, то така речовина називається поверхнево-активною.

Речовини, які збільшують поверхневий натяг на межі поділу фаз із збільшенням концентрації, називаються поверхнево-інактивними.

 

4. Адсорбція на межі поділу рідина-газ.

 Поверхнево-активні і поверхнево-інактивні  речовини.

Ізотерма поверхневого натягу розчинів поверхнево-активних речовин (ПАР) .

 

 

Як вже зазначалося, причиною адсорбції є здатність розчинених речовин змінювати поверхневий натяг розчинника. Склад поверхневого шару чистої рідини (розчинника) не відрізняється від складу об’єму рідини. Розчинення речовини, яка має поверхневий натяг σ, відмінний від поверхневого натягу розчинника σ₀, приводить до зміни складу поверхневого шару. По мірі збільшення концентрації поверхнево-активної речовини (ПАР) поверхневий натяг розчинів зменшується (рис. 20.11, а), тобто знижується вільна енергія поверхневого шару. Таким чином, молекули ПАР самодовільно накопичуються на поверхні поділу фаз в надлишковій, в порівнянні з об’ємом, кількості, тобто відбувається позитивна адсорбція: Г > 0 (рис. 20.11, б). По відношенню до межі поділу вода (полярний розчинник) — повітря, поверхнево-активними речовинами є органічні речовини, які мають дифільну будову молекули, наприклад жирні кислоти, спирти, кетони, мила та ін. Вони містять в своєму складі неполярну частину — зокрема, вуглеводневий радикал і полярну частину, представлену функціональними групами —COOH, —OH, –NH₂, –SO₂OH і т.д. Вуглеводневі ланцюги гідрофобні, причому чим довший ланцюг, тим сильніше виражені гідрофобні властивості молекули ПАР, тим сильніше виштовхується вона на поверхню і тим більше молекул накопичується в поверхневому шарі. Полярні групи, споріднені з водою (гідрофільні), гідратуються і зумовлюють задовільну розчинність ПАР у воді.

Поверхнево- інактивні речовини при розчиненні прагнуть перейти в об’єм розчину, їх концентрація на межі поділу фаз стає меншою, ніж в об’ємі, тому адсорбція буде негативною: Г < О (рис. 20.11, б). Це пояснюється тим, що енергія взаємодії їх молекул з молекулами розчинника вища, ніж енергія взаємодії молекул розчинника між собою. Поверхнево-інактивними речовинами по відношенню до межі поділу вода—повітря є неорганічні електроліти — кислоти, основи, солі, які добре розчиняються у воді і сильно гідратуються. Збільшення поверхневого- натягу при цьому невелике (рис. 20.11, а) і стає істотним при порівняно високих концентраціях.

Існують також індиферентні речовини (рис. 20.11, а), які не змінюють поверхневого натягу розчинника.

σ ^. 10³ Дж/м²

                                      2

70                             3

 

60

 

50

                                1        

40

 

0    0,2         0,4       0,6               с,моль/дм³                                                

 

                              Рис.20.11. а

               Г ^. 10⁶ Дж/м³

                                                                    

                                                                              1                           

                          4

                                                                                 

    2

                                                                                                              3                                                                                                                                                                                     0                                                                 

                                                                                                              2                                                                                                                                                                              -2

 

0    0,2      0,4    0,6           с,моль/дм³

 

                              Рис.20.11.б

Рис. 20.11. Залежність поверхневого натягу (а) і гіббсовської адсорбції    (б) від концентрації розчиненої речовини:

                      1 — додециламін; 2 — сульфат натрію; 3 — сахароза

Для розрахунку ізотерми адсорбції Г = f(c) необхідно знати залежність поверхневого натягу від концентрації розчиненої речовини. Схема графічного розрахунку показана на рис. 20.12.

 

                                

                                                Г      σ

 

 

 

                                                                               Г₄ 

                                                         Г₃            

                                 σ₀             Г₂                     2

                                         Г₁                                                          

 

                                                                                                                                            

 

 

 

 

       

            1

 

         с₁         с₂         с₃           с₄                                         с

 

 

Рис. 20.12. Ізотерми поверхневого натягу (1) і       адсорбції (2)

Залежність σ = f(c) можна побудувати за експериментальними значеннями поверхневого натягу водних розчинів при різних концентраціях ПАР. Можна також скористатися емпіричним рівнянням     Б. А. Шишковського:

σ = σ₀ – a ln(1+ bc)                                                         (13.5)

або

Δσ = σ₀ – σ = a ln (1+ bc)

    де  σ₀ і σ— поверхневий натяг розчинника і розчину відповідно, с — концентрація розчину ПАР, а і b — емпіричні сталі. Причому значення а мало залежить від природи ПАР і є єдиним для всього гомологічного ряду, і b називається питомою капілярною сталою, яка має певне значення для кожного члена гомологічного ряду.

Рівняння Шишковського застосовують для обчислення поверхневого натягу жирних кислот (або інших ПАР) з невеликим числом атомів вуглецю (до C₈).

За допомогою рівняння Шишковського можна перейти від рівняння Гіббса до рівняння Ленгмюра. Якщо продиференціювати рівняння Шишковського за концентрацією:

 

і підставити похідну в рівняння Гіббса, то одержимо:

                                                                                     (13.6)

 

Позначивши      через  , а b — через К і ураховуючи, що Г практично рівне А, маємо рівняння Ленгмюра:

Таким чином, був установлений зв’язок між рівнянням Гіббса, виведеним за допомогою законів термодинаміки, і рівнянням Ленгмюра, що базується на молекулярно-кінетичних положеннях.

           σ ^. 10³ Дж/м²

 

             70                                                           н-Мурашиеа кислота НСООН

 

                                                                           н-Оцтова кислота СН₃СООН

 

             60

 

                                                                      

                                                                            н-Пропіонова кислота С₂Н₅СООН

             50

 

 

 

             40                                                                    н-Масляна кислота С₃Н₇СООН

                                                     н-Валеріанова кислота С₄Н₉СООН                                                                                                                                                 

 

             30                  н-Капронова кислота С₅Н₁₁СООН

           

                0           0,1          0,2          0,3          0,4          0,5             с, моль/дм³                                                                                                                     

 

 Рис. 20.13. Залежність поверхневого натягу від концентрації водних розчинів кислот

 

В результаті досліджень залежності поверхневого натягу від концентрації водних розчинів органічних речовин Дюкло і Траубе встановили правило: в будь-якому гомологічному ряду при малих концентраціях подовження вуглеводневого ланцюга на групу СН₂ приводить до збільшення поверхневої активності в 3,0—3,5 рази. Як видно з рис. 20.13, на якому зображені криві σ = f(c) для ряду водних розчинів насичених жирних кислот, їх можна практично повністю сумістити, якщо змінити масштаб осі концентрацій при переході від одного члена гомологічного ряду до другого приблизно в 3,2 рази. Тому для двох гомологів, які відрізняються на групу СНз, можна записати:

ураховуючи, що   для сильно розбавлених розчинів.

Поверхневий шар розчину ПАР у воді називають адсорбційним шаром або адсорбційною плівкою. Вивчення властивостей і будови адсорбційних шарів показало, що вони мономолекулярні, тобто складаються з одного ряду молекул, орієнтованих певним чином.

Згідно з Ленгмюром і Гаркінсом, полярні групи молекул ПАР розміщені на поверхні води, а вуглеводневі радикали повернені в бік повітря. В ненасиченому шарі, який містить незначну кількість ПАР, вони лежать або нахилені до поверхні рідини. Повна орієнтація досягається, коли всі місця на поверхні займаються гідрофільними групами і на поверхні утворюється насичений мономолекулярний шар (рис. 20.14).

             

 

 Повітря                                         Повітря

 

 

   

            Водний шар                                              Водний шар       

        

Ненасичений шар                                                    Ненасичений шар

Рис. 20.14. Розташування молекул ПАР в адсорбційному шарі: кружком позначена полярна група, рискою — вуглеводневий радикал

 Із кривої ізотерми адсорбції (рис. 20.12) видно, що накопичення надлишку ПАР на межі розчин—газ, прямує до певної границі тобто величина адсорбції Г при достатньо великих концентраціях приймає граничне значення:

 

Його визначають за експериментальними даними, використовуючи рівняння ізотерми адсорбції Ленгмюра.

За значенням   обчислюють дві важливі молекулярні константи: площу S, яка припадає на окрему молекулу в насиченому поверхневому моношарі, і товщину S цього шару.

Оскільки число молекул, які містяться на поверхні моношару в 1 м², дорівнює N_A, де N_A— число Авогадро, то . В об’ємі поверхневого шару  м³     маса адсорбованої речовини з молярною масою М становить ^. М. З другого боку, ця маса дорівнює , де ρ — густина адсорбованої речовини. Тоді , звідки  . Величина S характеризує полярну групу, розташовану на поверхні насиченого  шару (рис. 20.14). Досліди Ленгмюра з жирними кислотами показали, що незалежно від довжини молекули, при наявності в ній від 14 до 34 атомів вуглецю, площа, яка припадає на 1 молекулу в насиченому моношарі (площа поперечного перерізу), дорівнює 20,5^.10^{–20 м2}; обчислена за рентгенографічними даними, ця величина становить 19 ^.10^{–20 м2}.

Відсутність залежності площі поперечного перерізу від довжини ланцюга молекули жирної кислоти СН₃ -(СН₂)_n -СООН вказує на те, що молекули дійсно орієнтуються вертикально до поверхні.

Разом з тим встановлено, що молекули, які мають декілька симетрично розташованих полярних груп (наприклад, дикарбо-нові кислоти та їх ефіри) в адсорбційних шарах аж до їх насичення орієнтовані горизонтально, а площа, зайнята молекулою, зростає із збільшенням довжини ланцюга.

Нижче наведені величини S для деяких гомологічних рядів і окремих сполук.

Таблиця 20.2. Площі молекул для деяких гомологічних рядів і окремих сполук

 

Гомологічний ряд	Полярна група	S . 10-20,м2
Жирні кислоти Аміди	-СООН -CONH2	20,5 20,5
Нітрили Спирти	-ОН	27,7 21,6
Холестерол Хлорофіл		40,8 80-100
Гемін		70,0

 

Щодо товщини насиченого адсорбційного шару, то вона відповідає довжині правильно орієнтованих в ньому молекул, які утворюють мономолекулярний шар. Очевидно, що  повинна збільшуватись із подовженням ланцюга в гомологічному ряду. Досліди показали, що зростає, на (1,3—1,5) 10^{–10 м при подовженні ланцюга на групу СН}₂.

Дослідженню властивостей мономолекулярних шарів, які утворені на поверхні води або водних розчинів важкорозчинними або нерозчинними речовинами, присвячено багато робіт (Ленгмюр, Гаркінс, Адам, Марселен, Ребіндер, Ізмайлова та ін.). Великий інтерес викликають мономолекулярні шари білків і ферментів, одержані на водних розчинах, зокрема сульфату амонію. Білки в моношарах часто зберігають свої ферментативні властивості й здатність до імунних реакцій та зв’язування антитіл, що було встановлено за збільшенням товщини моношарів (Ленгмюр, Гаркінс та ін.). Шляхом моделювання плівок, ідентичних тим, які мають велике значення для життєдіяльності клітин (білкові, ліпопротеїдні, нуклеопротеїцні шари), була вивчена взаємодія поверхнево-активних речовин з білками, реакції аденозинтрифосфорної кислоти з міозином у моношарі та ін.

 

Тема №1 АДСОРБЦІЯ НА ПОВЕРХНІ РІДИН. ВИЗНАЧЕННЯ ВПЛИВУ ПАР НА ВЕЛИЧИНУ ПОВЕРХНЕВОГО НАТЯГУ.

Дослідження впливу концентрації ізоамілового спирту на величину поверхневого натягу.

 а) Приготувати розчин ізоамілового спирту з різними концентраціями. Розвести ізоаміловий спирт водоюу 2, 4, 8 разів. Для цього 20 мл ізоамілового спирту (концентрованого) помістити в конічну колбу або стаканчик і додати стільки ж дистильованої води. Вміст колби перемішати. Даний розчин розведений у 2 рази. Аналогічно провести розведення в 4 і 8 разів. З нього відлити 20 мл розчину і перелити в наступну колбу, додати ще 20 мл води. Розчин розведений у 4 рази. Аналогічно приготувати розчин, розведений у 8 разів, використовуючи спирт, виготовлений у співвідношенні 1:4.

 б) Виміряти поверхневий натяг розчинів різних концентрацій ізоамілового спирту за допомогою сталагмометра.

Вимірювання поверхневого натягу сталагмометричним методом грунтується на тому, що в момент відриву краплі, яка витікає з круглого отвору, вага її дорівнює силі поверхневого натягу. Сталагмометр – це товстостінна капілярна трубка, яка має розширення посередині. З обох боків від розширення нанесені поділки. Визначення проводяться так: сталагмометр промити декілька разів дистильованою водою через гумову трубку, натягнуту на верхній кінець сталагмометра. Затягнути із склянки дистильовану воду вище верхньої мітки і порахувати число крапель об’єму води між мітками сталагмометра. Такі ж вимірювання провести для розчинів  ізоамілового спирту.

УВАГА! Починати вимірювання поверхневого натягу потрібно з розчину з найменшою концентрацією ізоамілового спирту.

Поверхневий натяг обчислити із співвідношення:

  σ        n_о

—— = —— ,

  σ_о           n

де σ _о і n_о – поверхневий натяг і кількість крапель води, σ і– поверхневий натяг і кількість крапель досліджуваного розчину.

      Результати вимірювання внести в таблицю:

Розведення ізоамілового спирту	Кількість крапель	Поверхневий натяг в Дж/м2

 

ІІ. Тема №2 АДСОРБЦІЯ НА ПОВЕРХНІ ТВЕРДИХ АДСОРБЕНТІВ.

Адсорбція забарвлених речовин із розчинів.

У ряд пробірок помістити по 1 мл розчину з масовою часткою 0,02%: метиленової синьки, К₂Сr₂О₇, FеСl₃, золю Fе(ОН)₃, конго червоного, водного розчину фуксину. Потім додати в усі пробірки по 0,2 г активованого вугілля, перемішувати протягом 2-3 хв і відфільтрувати. Спостерігати зміну забарвлення та пояснити явище адсорбції.

Результати роботи занести в таблицю:

Назва розчину	Метиленова синька	К2Сr2O7	FeCl3	Золь Fe(OH)3	Конго червоне	Фуксин
Забарвлення розчину до адсорбції
Забарвлення розчину після адсорбції
Висновок про характер адсорбції

 ТЕМА №3. ІОНООБМІННА АДСОРБЦІЯ.

Визначення повної обмінної ємності (ОЕ) катіоніту.

Обмінна ємність – це кількість еквівалентів (ммоль) речовини адсорбованої 1 г адсорбента. У колбі ємністю 250 мл помістити 1 г катіоніту, додати 100 мл розчину NаОН (с=0,1 моль/л), перемішати і залишити на 1 годину. Після цього відібрати піпеткою 25 мл розчину і перенести її в колбу для титрування. До проби додати 1-2 краплі змішаного індикатора і відтитрувати 0,1 моль/л розчином НСl до переходу забарвлення від зеленого до фіолетового. Обмінну ємність вирахувати за формулою: ОЕ = 100•С_NаОН – 4 V_НС1•С_НС1 .

Визначення вмісту лікарської речовини (глюконату кальцію) в розчині методом іонообмінної адсорбції.

УВАГА! При роботі з колонкою не допускається проникнення повітря в іоніт. Рівень рідини не повинен опускатися нижче верхнього рівня іоніту.

Через колонку з Н-катіонітом повільно пропускати 20 мл досліджуваного розчину, який містить глюконат кальцію. Потім колонку промити 25 мл дистильованої води, збираючи її в ту ж колбу. Весь зібраний фільтрат відтитрувати розчином NаОН (с=0,1 моль/л) з індикатором метиловим оранжевим. Вміст глюконату кальцію вирахувати за формулою:

 

        N_NаОН• V_NаОН • Е_{глюк.Са} •100

 ω = ———————————— .

              1000•V_{піпетки}

Е_{глюк.Са = 215}

Знесолювання води за допомогою іонітів.

Для знесолювання  взяти воду з водогону. За допомогою якісних реакцій виявити у воді іони хлору (реакцією з АgNО₃) та іони кальцію (реакцією з оксалатом амонію (NН4)₂С₂О₄).

Через колонку з Н-катіонітом пропустити повільно 25 мл води з водогону, потім промити 25 мл дистильованої води. З отриманого розчину відібрати піпеткою по декілька крапель у 2 пробірки. В 1 перевірити наявність Са²⁺ (реакція з (NН4)2С2О4), в 2 – на іони Н+ (метилоранж). З одержаного попереднього розчину відібрати 25 мл і пропустити через колонку з ОН-катіонітом, та промити 25 мл дистильованої води. Відібрати в пробірку декілька крапель розчину і перевірити наявність іонів Сl^–.

Хроматографія. Розділення іонів Fе³⁺, Сu2+, Со2+ методом хроматографії на оксиді алюмінію.

Колонку з адсорбентом (А1₂О₃) закріпити у штатив і пропустити через неї 1 мл суміші, що складається з рівних об’ємів розчинів СuSО₄, FеСl₃ і СоСl₂ (масова частка 0,1 %). Спостерігати через деякий час у верхній частині колонки коричневий шар, нижче – голубий і, нарешті, рожевий шар. У протоколі замалювати шари адсорбента відповідними кольорами.

Джерела інформації:

Основні:

1. Мороз А.С., Ковальова А.Г. Фізична і колоїдна хімія.- Львів: Світ, 1994. -С. 163-174, 176-183, 183-187.

1. Равич-Щербо М.И., Новиков В.В. Физическая и коллоидная химия. -М., -1975. – С. 153-158, 159-166, 167-174.

 2. Садовничая Л.П., Хухрянский В.Г., Цыганенко А.Я. Биофизическая химия. -К., -1986. – С. 166-173, 174-178, 178-186.

 Додаткові:

2. Кантор Ч., Шиммел П. Биофизическая химия.-М.: Мир, -1984. – С. 198-207.

3. Козленко Ф.Н., Міскіджан С.П. Практикум з фізичної і колоїдної хімії. – К., -1986. – С. 118-121,  122-123