Для адсорбции уксусной кислоты на адсорбенте константы уравнения фрейндлиха равны (7 видео)

Работа 20. Применение уравнения Фрейндлиха к адсорбции органических кислот на твердых адсорбентах

В этой лабораторной работе исследуют адсорбцию из раствора уксусной кислоты на активированном угле. Перед началом работы споласкивают дистиллированной водой рабочие колбы, пипетки и колбу для задачи. В колбу для задачи в лаборантской получают исходный раствор уксусной кислоты. Из него следующим образом приготовляют растворы различной концентрации посредством разбавления вдвое.

В 5 колб (№№ 2-6) на 100 мл пипеткой наливают по 50 мл дистиллированной воды. В оставшуюся колбу (№ 1) наливают 50 мл исходного раствора. Затем снова отбирают 50 мл исходного раствора из колбы с задачей и добавляют его в колбу с водой (№ 2). Хорошо взбалтывают и споласкивают полученным раствором пипетку, набирая полученный раствор в пипетку и выливая его обратно в колбу.

Затем отбирают 50 мл полученного раствора (№ 2) этой же пипеткой и добавляют в следующую колбу с водой (№ 3). Хорошо перемешивают и моют полученным раствором пипетку как в случае предыдущего раствора. Отбирают 50 мл полученного раствора (№ 3) и так далее до тех пор, пока не получают 6 растворов, включая исходный. Объем приготовленных растворов во всех колбах должен быть 50 мл, поэтому из последней колбы (№ 6) 50 мл раствора отбирают пипеткой и выливают в раковину. Затем в каждую из шести колб добавляют по 1 г адсорбента – активированного угля; при этом необходимое количество угля отмеряют пробиркой, насыпая уголь до метки.

Колбы с углем встряхивают, перемешивая содержимое, и оставляют на 40 минут. В это время определяют концентрацию исходного раствора уксусной кислоты посредством титрования трех аликвот по 10 мл раствором NaOH в присутствии индикатора фенолфталеина. Добавлять щелочь, находящуюся в бюретках, необходимо до неисчезающего светло — розового цвета раствора (концентрация щелочи различается для двух рабочих столов и указана на бутылях). Результаты титрования записывают в таблицу 20.1.

№ пробы	, мл	, мл	, М	, М
28.7	0.3157
28.8	0.3168	0.3168
28.9	0.3179

По уравнению (в нашем случае = 0.110 М) рассчитывают концентрацию в каждой пробе кислоты, затем вычисляют среднюю концентрацию задачи и проверяют ее в лаборантской.

По истечении 40 минут отфильтровывают раствор, отбрасывая первые порции фильтрата (около 10 мл), и отбирают аликвоты (по три порции каждого раствора) из оставшегося фильтрата. Можно поступить и другим способом: поочередно, начиная с самого разбавленного раствора, из колбочек с углем, не фильтруя, отбирают аликвоту 10 мл, погружая кончик пипетки вглубь раствора, но не касаясь при этом угля. Следует отметить, что для всех шести исследуемых растворов необходимо применять один и тот же способ взятия аликвот.

Для каждой из шести колб посредством титрования следует определить равновесную концентрацию уксусной кислоты после адсорбции (С). Начинать титрование лучше всего с самого разбавленного раствора (№ 6), предварительно сполоснув дистиллированной водой пипетку на 10 мл и колбы для титрования.

Закончив измерения, необходимо вылить остатки рабочих растворов вместе с углем в соответствующую емкость, сполоснуть колбы и пипетки дистиллированной водой.

Полученные при титровании данные, так же как при титровании исходного раствора, записывают в протокол опыта. Затем вычисляют количество вещества (в ммоль), находящегося в 50 мл до ( ) и после ( ) адсорбции. Следует отметить, что до адсорбции оттитровывают только исходный раствор, и содержание вещества (C₀) в более разбавленных растворах вычисляют, уменьшая в два раза С₀ предыдущего раствора.

Полученные данные записывают в таблицу 20.2.

№ опыта	Количество вещества в исходном растворе (до адсорбции)	Количество вещества в фильтрате (после адсорбции)	Сорбированное количество кислоты на 1 г угля, ммоль/г
С₀, М	в 50 мл, А, ммоль	С, М	в 50 мл, F, ммоль
0.3168	15.84	0.3028	15.14	0.7
0.1584	7.92	0.1463	7.315	0.605
0.0792	3.96	0.0715	3.575	0.385
0.0396	1.98	0.0352	1.76	0.22
0.0198	0.99	0.0187	0.935	0.055
0.0099	0.495	0.0093	0.45	0.045

Эти данные используют для построения изотермы адсорбции (рис. 20.1), откладывая по оси абсцисс значения равновесной концентрации С (М), а по оси ординат – количество вещества, адсорбированное одним граммом угля (ммоль/г).

Для адсорбции уксусной кислоты на адсорбенте константы уравнения фрейндлиха равны

Рис. 20.1. Изотерма адсорбции.

Для нахождения констант K и логарифмируют уравнение Фрейндлиха: . Выписывают в виде таблицы 20.3 значения и lg C. Нанося значения по оси ординат, а по оси абсцисс – lg C, получают прямую, не проходящую через начало координат, подобную изображенной на рис. 20.2. Отрезок, отсекаемый прямой на ординате, дает, с учетом масштаба, значение lg K, а тангенс угла наклона прямой к оси абсцисс – величину . В протоколе следует рассчитать и указать значения констант K и уравнения Фрейндлиха.

№ опыта	—	— lg C
0.15	0.527
0.2182	0.835
0.4145	1.146
0.658	1.453
1.259	1.744
1.34	2.05

Рис.20.2. Определение констант уравнения Фрейндлиха.

В нашем случае = 0.783 и lg K = 0.4; следовательно, K = 2.51 ммоль = 2.51 . 10 — 3 моль, и уравнение Фрейндлиха имеет вид: .

Видео:5.1. Адсорбция. Классификация адсорбцииСкачать

Уравнения изотермы адсорбции

( Ленгмюра)

где Г_¥ – предельная адсорбция; с – равновесная концентрация адсорбата; а – величина, обратная константе адсорбционного равновесия.

или (Фрейндлиха)

где k и n – эмпирические константы Фрейндлиха.

Г_¥ и константы (K и 1/n), характеризующие процесс адсорбции находятся с помощью построения изотерм по Ленгмюру и Фрейндлиху.

Пример 26. К 60 мл раствора уксусной кислоты с концентрацией раствора 0,1 моль/л добавили 2 г адсорбента и взболтали. После достижения равновесия пробу раствора объёмом 10 мл оттитровали раствором гидроксида натрия с концентрацией 0,05 моль/л. На титрование затрачено 15 мл титранта. Рассчитайте величину адсорбции уксусной кислоты.

Решение. 1. Найдём равновесную концентрация раствора уксусной кислоты по результатам титрования:

С_равн(СН₃СООН) =

С_равн(СН₃СООН) = 0,05 × 15 / 10 = 0,075 моль/л

2. Рассчитываем величину адсорбции уксусной кислоты по формуле:

Г(СН₃СООН) = =

Г(СН₃СООН) = 7,5 ∙ 10 -4 моль/г = 0,75 ммоль/ г

Пример 27. Определите величину адсорбции кислоты С₈Н₁₇СООН на поверхности водного раствора при 10 0 С, если массовая доля кислоты в растворе 0,005%. Поверхностное натяжение чистой воды и раствора при этой температуре равны соответственно 74,22 ∙ 10 -3 и 57,0 ∙ 10 -3 Дж/м 2 .

Решение.

1. Для расчёта адсорбции Г на поверхности раствора воспользуемся уравнением Гиббса:

Г = — ∙ = — ∙

В уравнении Гиббса величина С₂ означает молярную концентрацию кислоты, С₁ = 0 (чистая вода).

2. Считая, что плотность разбавленного раствора кислоты около 1 г/мл (т.е. такая же, как и воды), используя ω% кислоты, находим, что в 100 мл раствора содержится 0,005 г кислоты. Молярная масса кислоты равна 158 г/моль, поэтому молярная концентрация раствора будет:

С_М = = = 3,16 ∙ 10 -4 моль/л.

3. В уравнение Гиббса подставляем необходимые данные:

Г = — ∙ = 7,3 ∙ 10 -6 моль/м 2

Ответ: 7,3 ∙ 10 -6 моль/м 2

Пример 28. Экспериментально установлено, что максимальная величина адсорбции ПАВ (М = 60 гмоль) некоторым адсорбентом составляет 5,0 ∙ 10 3 мольг. Величина аравна 0,06 моль/л. Какая масса (в граммах) вещества адсорбировалась двумя граммами данного адсорбента из раствора, если равновесная концентрация ПАВ стала равна 0,1 моль/л?

Решение. 1. Рассчитываем величину адсорбции ПАВ по уравнению Лэнгмюра:

Г = 5,0 ∙ 10 -3 × 0,1 / (0,06 + 0,1) = 3,125 ∙ 10 -3 (моль/г)

2. Количество адсорбированного вещества на адсорбенте массой 2 г будет в 2 раза больше:

n_ПАВ = 3,125 ∙ 10 -3 моль/г ∙ 2г = 6,25 ∙ 10 -3 моль

3. Масса адсорбированного вещества будет равна:

m_ПАВ = т∙М = 6,25 ∙ 10 -3 ∙ 60 = 0,375 г

Ответ: m адсорбированного ПАВравна 0,375 г.

Пример 29. Найдите поверхностное натяжение водного раствора валериановой кислоты, если сталагмометрическим методом получено: число капель раствора валериановой кислоты 23, воды 12. Плотность раствора и воды соответственно равны: 1,11× 10 3 кг/м 3 и 1 × 10 3 кг/м 3 ; поверхностное натяжение воды при 25°С равно 71,97 × 10 -3 Н/м.

Решение: расчет поверхностного натяжения проводим по формуле:

Типовые задачи.

33. Чему равно поверхностное натяжение водного раствора амилового спирта, если число капель этого раствора, вытекающего из сталагмометра, равно 72, а число капель воды – 60? Поверхностное натяжение воды при 293 К равно72,8 ∙ 10 -3 Дж/м 2 (плотность раствора принять равной 1 г/см 3 ).

34. При 20 0 С поверхностное натяжение 0,2 М водного раствора ПАВ равно 55 ∙ 10 -3 Дж/м 2 . Вычислите величину адсорбции ПАВ (поверхностное натяжение воды при 20 0 С равно 75,75 ∙ 10 -3 Дж/м 2 ).

35. При концентрации 0,125 моль/л поверхностное натяжение метилпропанола равно 52,8 мН/м, а метилбутанола 47,6 мН/м. При концентрации 0,250 моль/л поверхностное натяжение метилпропанола равно 44,1 мН/м, а метилбутанола 23,7 мН/м. Сравните поверхностную активность метилпропанола и метилбутанола в водных растворах в данном интервале концентраций. Выполняется ли правило Дюкло-Траубе?

Видео:Изучение адсорбции уксусной кислоты из водного раствора на активированном углеСкачать

Изучение адсорбции уксусной кислоты углем и определение констант равновесия Ленгмюра

«Изучение адсорбции уксусной кислоты углем и определение констант равновесия Ленгмюра»

Построить изотерму адсорбции уксусной кислоты углём и определить константы уравнения Ленгмюра.

Из одномолярного раствора уксусной кислоты путём последовательного двухкратного разбавления дистиллированной водой приготовили в пронумерованных колбах на 200 см3 по 50 см3 растворов следующих концентраций: 0,5 M; 0,25 М; 0,125 М; 0,0625 М; 0,03125 M (100 см3).

В каждую колбу с раствором добавили указанные преподавателем количества (обычно 13 г ) активированного угля. Колбы закрыли пробками и на 20 мин оставили стоять, взбалтывая по очереди содержимое каждой колбы.

За это время определили концентрацию исходного раствора кислоты. Титровали 10 см3 раствора уксусной кислоты 0,1N раствором NаОН в присутствии фенолфталеина.

После встряхивания растворы отфильтровывали в чистые и сухие колбы, отбросив первые порции фильтрата в количестве 5-10 см3. Равновесную концентрацию раствора кислоты (СP) нашли путем титрования щелочью проб фильтратов, взятых в следующих количествах (см3): 1) 10; 2) 10; 3) 25; 4) 25; 5) 50.

Обработка экспериментальных данных

1 Концентрацию исходного раствора кислоты СK (г-моль/дм3) вычисляют по формуле

где VЩ — объём щелочи, пошедшей на титрование, VК — объём взятого для титрования раствора кислоты.

2 Начальные концентрации растворов кислоты (СН), полученных разбавлением раствора с концентрацией (СО), находят расчетным путём по формуле:

где n — кратность разбавления (т.е. 2, 4, 8, 16, 32).

3 Рассчитывают величину удельной адсорбции Г (ммоль/г) по формуле:

где V — объем раствора, взятого для адсорбции, см3; m — масса адсорбента, г; СP — равновесная концентрация раствора кислоты (определяется так же, как по уравнению 1 ).