Адсорбция на границе раздела фаз жидкость газ (стр. 2 из 3)
(14)Строят график изотермы адсорбции Г=f (с)
Зависимость величины адсорбции описывается уравнением Ленгмюра:
(15)где Г¥ — предельная адсорбция или величина адсорбции при полном насыщении поверхности мономолекулярным слоем адсорбтива; k — константа адсорбционного равновесия.
Определение характеристик поверхностного слоя. Величины постоянных уравнения Ленгмюра Г¥ и k находят графическим методом. Уравнение (15) преобразуют к линейному виду:
(16)где
.Строят график зависимости c/Г от c.
Из уравнения (16) следует, что
или 
(17) 
(18)Величину Г¥ можно найти также, используя эмпирическое уравнение Шишковского:
(19)где s0 — поверхностное натяжение чистой жидкости, А и В — постоянные.
Постоянная В уравнения (19) связана с Г¥ соотношением:
(20)Для известного значения s1 и В по уравнению (19) можно рассчитать постоянную А уравнения Шишковского и убедиться, что А равна константе k уравнения Ленгмюра.
Вычисление d и q. Установим формулы для расчета высоты адсорбционного слоя d и площади, занимаемой одной молекулой ПАВ на поверхности раствора q (см. рис.2).
Рис.2. Схема расположения молекул ПАВ в поверхностном слое толщиной d.
При насыщении адсорбционного слоя молекулы ПАВ располагаются вертикально, причем полярные группы находятся в растворе, а неполярные группы атомов (радикалы) — в воздухе. На площади S=1м2 поверхности находятся Г¥ поверхностно-активного вещества моль/м2 или Г¥×М в кг/м2, где М — молярная масса вещества (кг). С другой стороны в объеме S×d находится S×d×r кг вещества, где r — плотность вещества в кг/м3 или d×r в кг/м2, тогда Г¥×М = d×r или
(22)Число молекул ПАВ на 1м2 равно Г¥×NА, где NА — число Авогадро. Следовательно, площадь, занимаемая одной молекулой, равна:
(23)Сопоставляя вычисленное значение толщины слоя с длиной молекулы, известной из ее строения, можно сделать вывод об ориентации молекул ПАВ в адсорбционном слое.
Порядок выполнения работы:
Определение поверхностного натяжения растворов ПАВ проводят методом наибольшего давления газовых пузырьков. Работа по этому методу проводим в приборе, сконструированном П. А. Ребиндером (рис.3).
Сосуд (1) с исследуемой жидкостью (20-50мл) соединяется с водяным манометром (2) и делительной воронкой (3), которая служит для создания небольшого разряжения в системе. Сосуд (4) используется как буферная емкость. Разрежение в системе обеспечивается с помощью медленного вытекания воды из делительной воронки (3) в химический стакан. Сосуд плотно закрывается резиновой пробкой, через которую проходит стеклянная трубка (5), заканчивающаяся капилляром.
Капиллярный кончик должен иметь ровные острые края. Очень удобны кончики, изготовленные из толстого стекла, с пипеткообразным расширением, предшествующим капилляру.
Очистка капиллярного кончика производится засасыванием в него хромовой смеси с помощью груши и последующей промывкой дистиллированной водой. При опыте капиллярный кончик погружен в жидкость, но так, чтобы он только касался ее поверхности, слегка приподнимая жидкость (рис.1.).
Опыт начинаем с определения Рmax для дистиллированной воды. Открываем кран 6. Внутри сосуда 1 создается разряжение и через жидкость начинают проскакивать пузырьки воздуха. Скорость образования пузырьков регулируем краном 6 так, чтобы время образования было не менее 10-20 сек., в течение этого времени на поверхности пузырька успевает установиться адсорбционное равновесие. При определении поверхностного натяжения на границе жидкости, содержащей ПАВ, необходимо, чтобы время образования пузырька было не менее 30 сек. В момент проскакивания пузырьков замечаем разность уровней жидкости в манометре (2). Разность уровней жидкости в манометре Dh = h2-h1, где h2 — уровень жидкости в левом колене манометра;h1 — в правом, соответствует максимальному давлению, необходимому для образования пузырька Рmax. Изменяем положение крана 6 и повторяем измерение Рmax 3-4 раза и берем среднее значение Dh (колебания отдельных наблюдений не должны превышать 1-2 мм).
Аналогично проводим измерения Dh для раствора ПАВ 5-6 различных концентраций. Поверхностное натяжение раствора рассчитываем по уравнению (13). Поверхностное натяжение воды в зависимости от температуры рассчитываем по уравнению (7). Экспериментальные и расчетные данные заносим в таблицу 1.
По данным таблицы 1 строим график изотермы поверхностного натяжения s = f(с) . На изотерме поверхностного натяжения выбираем 6-7 точек, к которым проводим касательные и линии, параллельные оси абсцисс . Определяем величину zи по уравнению (14) рассчитываем величину адсорбции Г. Результаты расчета заносим в таблицу 2.
По данным таблицы 2 строим изотерму адсорбция Г=f(с) и график зависимости с/Г=f(с) .
По уравнениям (17) и (18) рассчитываем значения постоянных уравнения Ленгмюра Г¥ и k.
На изотерме адсорбции выбираем 5 точек и определяем величину В в уравнении Шишковского (21). Рассчитываем Г¥ по уравнению (20) и сравниваем это значение с величиной Г¥, рассчитанное по уравнению Ленгмюра. По уравнению (19) рассчитываем постоянную А в уравнении Шишковского и убеждаемся, что А=k в уравнении Ленгмюра.
По уравнениям (22) и (23) рассчитываем высоту адсорбционного слоя d и площадь, занимаемую одной молекулой ПАВ. Делаем выводы о строении поверхностного слоя.
Ход работы:
1. Рассчитаем концентрацию ПАВ в моль/л по формуле:
См = ω*1000 / V*М, где ω концентрация ПАВ в %,V объем раствора, М молярная масса ПАВ (в нашем случае ИПС – изопропанол 60 г/моль).
См = 0,5*1000/100*60 = 0,0833 (моль/л)
2. Вычислим поверхностное натяжение раствора по уравнению (13), а для воды по уравнению (7).
Данные занесем в таблицу 1.
Таблица 1.
| Концентра-ция ПАВ,% | Концентра-ция, моль/л | Dh1 | Dh2 | Рmax=Dh=(Dh2-Dh1), мм | s, Дж/м2 |
| 00.51.01.52.03.04.0 | 00,0830,160,250.330,50,66 | 17,417,417,116,916,816,516,3 | 9,59,89,910.110,310,410,7 | 7,97,67,26,86,56,15,6 | 0.07300,06990,06620,06260,05980,05640,0515 |
3. По данным таблицы1 строим график изотермы поверхностного натяжения s = f(с)
4. По графику зависимости s = f(с) найдем z ирассчитаем Г по формуле (14) и с/г. Занесем результаты в таблицу 2.
С/Г=0,083/0,102*10-6 = 0,81373*106 (М2)
Таблица 2.
| Концентрация ПАВ, моль/л | z, Дж/м2 | Г, *106 Моль/м2 | с/Г,*10-6 м2 |
| 00,0830,160,250.330,500,66 | 00.0002490.0003680.0004500.0005280.0005500.000572 | 00,1020,1510,1840,2160,2250,235 | -0,813731,05961,35871,527782,222222,80851 |
5. Построим график изотермы абсорбции
6. Определим характеристики поверхностного слоя
Величины постоянных уравнения Ленгмюра Г¥ и k находим графическим методом
Г∞ = ctgα = х/у = 0.25/0.9 = 0.27*10-6 моль/м2
а = 0.5*106 м2
К = 1/ Г∞*а = 7,4 моль/л
Рассчитаем Г∞ по уравнению Шишковского
, где В постоянная.