Изучение адсорбции уксусной кислоты на поверхности активированного угля

При подготовке к лабораторной работе повторите материалы гл. 7, обратив особое внимание на подпараграфы 7.1.1, 7.4.1 и 7.4.2.

Цель работы. Определение адсорбции уксусной кислоты на поверхности активированного угля. Построение изотермы адсорбции и ее анализ по уравнению Ленгмюра. Определение величины удельной поверхности активированного угля.

Реактивы и оборудование. Активированный уголь (таблетки), растворы СН₃СООН 0,1 М, NaOII 0,1 М (титрованный), индикатор фенолфталеин, дистиллированная вода.

Стаканы химические объемом 100 мл, стаканы химические мерные объемом 250 мл, колбы конические, колбы мерные объемом 100 мл, пипетки Мора объемом 50 мл, резиновые груши, воронки, фильтровальная бумага, колбы для титрования, бюретки, стеклянные палочки.

Методические указания. Измерение величины адсорбции. В этой лабораторной работе изучается адсорбция уксусной кислоты на границе «твердое тело (активированный уголь) — жидкость (раствор кислоты)» и используется величина абсолютной удельной адсорбции.

Если в раствор уксусной кислоты объемом V с первоначальной концентрацией С₀ поместить твердый адсорбент, например активированный уголь массой т, то часть кислоты из раствора будет адсорбироваться на его поверхности. В результате концентрация кислоты в растворе снизится и станет равной С. Снижение концентрации на величину С₀ — С происходит в результате адсорбции кислоты на поверхности угля.

Величину абсолютной удельной адсорбции можно определить по формуле.

Адсорбция будет выражаться в моль/г, если С имеет размерность моль/л, V — л, а т — г. В единицах СИ: С — моль/м³, V — м³, т — кг, тогда величина а имеет размерность моль/кг.

Концентрацию уксусной кислоты до и после адсорбции (С₀и С) определяют титрованием.

Определив значение адсорбции при разных исходных концентрациях кислоты (обычно используют 5—6 растворов разной концентрации), строят изотерму адсорбции (рис. Л.5).

Величина адсорбции возрастает вплоть до предельного значения а", которое соответствует полному мономолекулярному покрытию поверхности активированного угля молекулами кислоты. Из изотермы адсорбции в координатах «а — /(С)» необходимая для дальнейших вычислений величина определяется неуверенно, поэтому для определения значения а"

используют линейную форму уравнения Ленгмюра и строят график в соответствующих линейных координатах «1/а —f (l/С)» (см. рис. 7.11 в гл. 7).

Рис. Л.5. Изотерма адсорбции уксусной кислоты на поверхности активированного угля.

Расчет величины удельной поверхности адсорбента. По значению а" может быть рассчитана величина удельной поверхности активированного угля: 5_уд = aJt_Aсо.

Для расчета необходимо знать площадь со, занимаемую одной молекулой в мономолекулярном слое. В случае адсорбции жирных кислот на поверхности активированного угля со = 21 • 10 ²⁰ м²/молекулу.

Размерность величины удельной поверхности при расчете по этому уравнению при использовании внесистемных единиц:

Выполнение работы. Вам потребуется два комплекта пронумерованных колб, по шесть колб в каждом комплекте. В одном комплекте колб приготовьте серию из шести растворов уксусной кислоты разной концентрации методом последовательного разбавления вдвое, начиная с концентрации 0,1 моль/л (всего шесть растворов, включая исходный). Потребуется приблизительно по 100 мл каждого раствора.

Отмерьте по 50 мл каждого раствора в другой комплект пронумерованных колб. В каждую колбу добавьте по 0,5 г активированного угля. Можно использовать взятые на весах навески угля или аптечный активированный уголь в таблетках (две таблетки по 0,25 г). Колбы накройте бумагой и оставьте на 30—40 мин, периодически встряхивая.

Определите исходные концентрации кислоты, используя растворы, оставшиеся в нервом комплекте колб. Оттитруйте растворы 0,1 М раствором NaOH (точная концентрация NaOH указана на склянке с раствором). Титрование проводят в присутствии индикатора фенолфталеина до появления малиновой окраски, устойчивой не менее 30 с. Концентрацию кислоты вычисляют по эквивалентному объему щелочи, пошедшему на титрование. Поскольку концентрации кислоты в колбах 1—6 различаются во много раз, необходимо предусмотреть объемы пробы кислоты для титрования так, чтобы хватило объема бюретки (табл. Л.5).

Рекомендуемый объем кислоты для титрования при изучении адсорбции уксусной кислоты на поверхности активированного угля.

Если разбавление исходной кислоты проводилось с большой точностью с использованием пипеток Мора и мерных колб, можно ограничиться титрованием первой и шестой проб. При условии что полученные концентрации совпадают с ожидаемыми, растворы № 2—5 можно не титровать.

Через 30—40 мин профильтруйте растворы для отделения частиц угля. Определите концентрации всех шести растворов после адсорбции титрованием 0,1 М раствором NaOH, используя для титрования такие же объемы кислоты, что и в первый раз. Результаты вносите в табл. Л.6. Концентрация кислоты и, следовательно, объем NaOH на титрование должны уменьшиться.

Таблица Л.6

Результаты определения адсорбции уксусной кислоты на поверхности активированного угля.

Полученные значения адсорбции при разных концентрациях используйте для построения изотермы адсорбции в обычных координатах «а — /(С)» и в линейных координатах для получения уточненного значения а" (табл. Л.7).

Данные для построения изотермы адсорбции в линейных координатах.

Графически определите значения а_м и b и вычислите величину удельной поверхности 5_уд.

Отчет. В отчете должны быть представлены:

• 1) результаты определения адсорбции уксусной кислоты на поверхности активированного угля в виде табл. Л.6. Масса адсорбента — активированного угля в каждом из шести опытов может различаться, если использовались навески гранулированного угля;
• 2) изотерма адсорбции в координатах «а — С» (см. рис. Л.5);
• 3) данные для построения линейной формы изотермы адсорбции (см. табл. Л.7);
• 4) изотерма адсорбции в линейных координатах уравнения Ленгмюра «/а —/(1/(7)»;
• 5) вычисления для определения а_м и Ъ
• 6) вычисление величины удельной поверхности 5_уд.