Адсорбция на границе раздела фаз жидкость – газ

                           (22)

Число молекул ПАВ  на 1м² равно Г_¥×N_А, где N_А — 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 Р_max 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 Р_max. Изменяем положение крана 6 и повторяем измерение Р_max 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 z и 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.

 

3. По данным таблицы1 строим график изотермы поверхностного натяжения                                 s = f(с)

     

4. По графику  зависимости s = f(с) найдем z и рассчитаем 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.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

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.}

_{Рассчитаем  В по уравнению  В =   (σ0-σ1)/Ln(C2/C1 – 1)    (см. график σ = f(c) ).} 

_{Пр. В1 = (0.073-0.0724) / In (0,083/0,013 – 1) = 0,00035 (Дж/М²)}

       _{В2 = (0,073-0,0703) / In (0.16/0.013-1) = 0.00094 (Дж/М²)}

_{Bcp = B1+B2 / 2 = 0.000644 (Дж/М²)} 

 моль/м²

7. Покажем, что А в уравнении Шишковского ≈ К в уравнении Ленгмюра.

      дж/м2

     дж/м2

       моль/л

 
 
 
 
 
 
 
 

    в уравнении Шишковского

 К = 7,4         в уравнении Ленгмюра

 
 
 

Т.О.постоянная А в уравнении Шишковского приблизительно равна К в уравнении Ленгмюра.

8. Рассчитаем высоту адсорбционного слоя d и площадь, занимаемую одной молекулой ПАВ на поверхности раствора q

 

 

 

_{Вывод:   В ходе лабораторной работы было определено поверхностное натяжение растворов изопропанола различной концентрации. Построив изотерму σ = f(c) для полученных растворов можно определить, что с увеличением концентрации значение показателя поверхностного натяжения уменьшается. Сведя определение адсорбции к экспериментальному изучению зависимости σ от концентрации вещества в объемной фазе было рассчитано значение адсорбции Г. Полученная зависимость соответствует уравнению Гиббса для ПАВ(которые и были исследованы). Построена изотерма адсорбции Г= f(с) проанализировав которую можно сделать вывод о том, что чем больше концентрация раствора, тем больше значение величины адсорбции. Данная зависимость удовлетворяет уравнению Гиббса для данных систем так как зависимость С/Г = f(C) имеет линейный характер. Графически определены значения постоянных величин: константы адсорбционного равновесия (К) и адсорбции при полном насыщении поверхности мономолекулярным слоем адсорбента (Г∞). Получив величины позволяющие охарактеризовать расположение молекул ПАВ в поверхностном слое: высоту адсорбционного слоя σ и площадь q, занимаемую 1 молекулой ПАВ на поверхности раствора, можно сделать вывод о том, что молекулы располагаются вертикально в поверхности слоя.    К=7,4 моль/л}

                 _{δ = 0,2 нм}

                 _{q = 6,29*10^-18 м²}