ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ
Работа 18 «Изучение адсорбции ПАВ из растворов на твердом адсорбенте»
Цель работы: получение изотерм поверхностного натяжения растворов ПАВ на границе с воздухом; определение предельной адсорбции ПАВ из водного раствора на угле; вычисление удельной поверхности адсорбента.
Краткая теория.Типичные ПАВ имеют асимметрично построенные молекулы, состоящие из двух частей: активной полярной группы, хорошо взаимодействующей с молекулами воды, типа –ОН, –СООН, –NH2, –NO2, –SO3H, –SO3Na, –COONa и др., и неполярной гидрофобной группы – углеводородного радикала.
Такие дифильные молекулы, способные взаимодействовать одновременно с полярными и неполярными средами, самопроизвольно накапливаются на границах раздела фаз, понижая энергию Гиббса поверхности и образуя адсорбционный слой определенной структуры. В адсорбционных слоях молекулы ПАВ ориентируются полярными группами в сторону полярной среды (воды), а гидрофобной неполярной частью – в сторону менее полярной фазы (воздуха, углеводородной жидкости). По мере заполнения поверхности раздела вода – воздух молекулами ПАВ поверхностное натяжение на этой границе резко снижается. В разреженных адсорбционных слоях молекулы ПАВ располагаются вдоль поверхности. Такое расположение ПАВ приводит к наибольшему экранированию молекул воды и обеспечиваетминимальное поверхностное натяжение раствора.
С ростом концентрации раствора число молекул ПАВ в адсорбционном слое увеличивается. При некоторой концентрации раствора может образоваться предельно насыщенный адсорбционный слой, так называемый «частокол Ленгмюра». В этом случае поверхностный слой отвечает конденсированной пленке и поверхность воды оказывается сплошь покрытой углеводородными участками молекул ПАВ. Поверхностное натяжение растворов при этих концентрациях приближается к значению поверхностного натяжения самих поверхностно-активных веществ на границе с воздухом.
При введении адсорбентов в водные растворы ПАВ молекулы ПАВ адсорбируются на границе вода–твердая поверхность. Согласно правилу Ребиндера при адсорбции ПАВ разность полярностей между адсорбентом и растворителем уменьшается. Все полярные гидрофильные поверхности адсорбируют ПАВ из неполярных и слабополярных жидкостей. Неполярные сорбенты, такие, как уголь или некоторые полимерные материалы, наоборот, хорошо адсорбируют ПАВ из полярных жидкостей.
На адсорбцию ПАВ из растворов существенное влияние оказывает и пористость сорбента. Влияние пористости определяется соотношением размеров пор и молекул ПАВ. С уменьшением размеров пор адсорбция небольших молекул ПАВ, как правило, возрастает. Однако это наблюдается, только если молекулы ПАВ имеют размеры, позволяющие проникнуть в поры адсорбента.
По истечении определенного времени в системе адсорбент–водный раствор ПАВ устанавливается равновесие между количеством А молекул ПАВ, перешедших на поверхность сорбента, и их объемной равновесной концентрацией с. Это равновесие может быть описано уравнением Ленгмюра (3.2), при этом емкость монослоя A¥ отвечает предельной адсорбции. Для более точного определения величины A¥, предпочтительнее использовать уравнение Ленгмюрав линейной форме:
(3.16)
Графически зависимость выражается прямой, пересекающей ось ординат. Отрезок, отсекаемый от оси ординат, определяет величину, обратную емкости монослоя. Тангенс угла наклона прямой позволяет найти константу адсорбционного равновесия K.
Величину адсорбции А для ПАВ обычно рассчитывают, определяя концентрацию раствора до и после адсорбции:
, (3.17)
где С0, с – начальная и равновесная концентрации ПАВ в растворе;
m – масса адсорбента;
V – объем раствора ПАВ, в который введен адсорбент.
Разность концентраций поверхностно-активного вещества С0–с удобно определять по изменению поверхностного натяжения раствора.
Определив экспериментально емкость монослоя A¥по формуле (3.4), можно рассчитать удельную поверхность адсорбента Sуд, т. е. поверхность, приходящуюся на единицу массы адсорбента. Для этого необходимо знать площадь s0, занимаемую одной молекулой адсорбата в насыщенном адсорбционном слое на границе раздела фаз. Согласно исследованиям Ленгмюра и Гаркинса площадь, занимаемая одной молекулой большинства одноосновных жирных кислот и спиртов, составляет 0,2–0,3 нм2.
Дата добавления: 2020-07-18; просмотров: 494;