Изучение адсорбции на границе "твёрдое тело - жидкость"

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего образования

ИРКУТСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Институт недропользования

Кафедра нефтегазового дела

ИЗУЧЕНИЕ АДСОРБЦИИ НА ГРАНИЦЕ "ТВЕРДОЕ ТЕЛО- ЖИДКОСТЬ"

ОТЧЕТ

по лабораторной работе № 1

по дисциплине прикладная физическая и коллоидная химия

Выполнил

(подпись)    

(дата)

Принял

(подпись)

(дата)

Иркутск – 2025

Краткие теоретические сведения

Адсорбция – это самопроизвольное поглощение одного вещества (адсорбата) поверхностью другого вещества (адсорбента). Процесс обусловлен стремлением системы к уменьшению поверхностной энергии (поверхностного натяжения) на границе раздела фаз.

Адсорбент – вещество, на поверхности которого происходит адсорбция.

Адсорбат – вещество, которое поглощается.

Поверхностный слой – тонкий переходный слой на границе раздела фаз, где сосредоточен избыток вещества и энергии.

Абсорбция – поглощение во всем объеме, в отличие от поверхностной адсорбции.

С точки зрения термодинамики, адсорбция – это процесс выравнивания химических потенциалов компонента в объеме и в поверхностном слое, ведущий к минимуму энергии Гиббса системы.

Для количественного описания используют два основных понятия:

Абсолютная адсорбция (A) – общее количество вещества (моль) в поверхностном слое, отнесенное к единице площади поверхности или массы адсорбента (моль/м², моль/г).

Гиббсовская (избыточная) адсорбция (Г) – это экспериментально определяемая величина. Она показывает, насколько количество вещества в поверхностном слое превышает то, которое было бы там, если бы концентрация была одинаковой по всему объему. Расчетная формула:

Г = (C₀ - Cр) * V / S,

где: C₀ и Cр – начальная и равновесная концентрации адсорбтива, V – объем раствора, S – площадь поверхности адсорбента (или масса, для пористых тел).

Теория мономолекулярной адсорбции Лэнгмюра

Основные положения:

1. Адсорбция локализована на специфических, энергетически эквивалентных активных центрах.
2. На каждом центре адсорбируется только одна молекула (образуется мономолекулярный слой).
3. Адсорбированные молекулы не взаимодействуют друг с другом.
4. Процесс носит динамический характер (адсорбция-десорбция).

Уравнение изотермы адсорбции Лэнгмюра:

А = (А∞ * K * С) / (1 + K * С)

где: А – величина адсорбции при равновесной концентрации С, А∞ – предельная адсорбция (емкость монослоя), K – константа адсорбционного равновесия.

Графический анализ: Уравнение Лэнгмюра приводится к виду:

С/А = 1/(A∞ * K) + С/A∞

В координатах (С/А от С) получается прямая. По тангенсу угла наклона (tgα = 1/A∞) и отрезку, отсекаемому на оси ординат (b = 1/(A∞*K)), находят константы A∞ и K.

Уравнение адсорбции Фрейндлиха

Эмпирическое уравнение для описания адсорбции:

А = β * С^(1/n)

где β и n – константы, определяемые из опыта.

Графический анализ: После логарифмирования уравнение принимает линейный вид:

lg A = lg β + (1/n) * lg C

В координатах (lg A от lg C) тангенс угла наклона прямой равен (1/n), а отрезок на оси ординат – lg β.

Опыт 1. Адсорбция уксусной кислоты активированным углем

Цель работы: ознакомление с закономерностями адсорбции из растворов уксусной кислоты на активированном угле; определение констант уравнения Фрейндлиха и построение изотерм адсорбции в прямых и спрямленных осях.