Физикалық ЖӘне коллоидтық химия

Бетінде адсорбция жүретін заттар адсорбент, ал адсорбцияланатын зат адсорбтив деп аталады. Адсорбцияны (г) мына формуламен өрнектейді:

Г = Х / S ( 1 )

мұндағы: Х-адсорбтив саны, S-адсорбентінің бетінің ауданы.

Физикалық, химиялық адсорбция болады.

Физикалық адсорбция. Әрекеттесудің вандер ваальстік күші бойынша сіңеді. Қайтымдылығымен температураны көтергенде адсорбция төмендеуімен, стехиометриялық қатынастың болмауымен ерекшеленеді. Физикалық адсорбция өздігінен жүреді.

Химиялық адсорбция кезінде адсорбциялық күш табиғаты химиялық бағыт алады. Хемосорбция қайтымсыз болады. Оның жылу эффектісі химиялық қосылыс түзілу энергиясына жақын. Адсорбция төмендегі фазалар бойынша жүруі мүмкін:

1) газ-қатты дене

2) ерітінді-қатты дене

3) газ-ертінді

Қатты зат – газ шекарасындағы адсорбция Ленгмюр теориясына бағынады, ол төмендегі қалпынан тұрады:

1. Адсорбция локализациялы (адсорбтив молекуласы адсорбенттің беткі қабаты мен араласа алмайды және химиялық құбылысқа жақын күшпен әсер етеді).

2. Адсорбтивтің молекуласын адсорбциялау активтілік орталығында жүреді.

3. Активтілік орталығы күш өрісінің өте қанықпағандығымен ерекшеленеді.

4. Әрбір активтілік орталығының әрекеттесу радиусы кіші және қанығуға бейім болады.

5. Адсорбцияланған молекулалар активтілік орталығында ұсталып тұрады және белгі бір уақыт аралығында ғана.

6. Адсорбцияланған молекулалар арасындағы әрекеттесу күші есептелмейді.

Қатты дене – газ шекарасындағы адсорбция мына теңдеумен өрнектеледі:



мұндағы: Г – адсорбент массасының бірлігінің мольмен алынған адсорбциясы.

Г_max – адсорбцияның максимал мөлшері,

С – тепе-теңдік концентрациясы,

А – тұрақты шама, адсорбция мен диссорбция жылдамдығының қатынасына тең. Бұл теңдеу Ленгмюрдың адсорбция изотермасының теңдеуі деп аталады.

Адсорбцияланған заттың мөлшерінің оның концентрациясына тәуелділігі графикпен көрсетіледі.

Лэнгмюр дамытқан ұсыныс адсорбцияның нақты бейнесін жеңілдетеді. Адсорбенттердің беті көпшілігінде біртекті емес, адсорбцияланған бөлшектер арасында өзара әрекеттесі болғандықтан адсорбция мономолекулярлық қабат түзуіне шек қойылмайды. Г.Фрейндлих еріген заттың массасы адсорбент массасының бірлігіне тең дәрежеге теңестірілген тепе-теңдік концентрациясына пропорционал екендігін ұсынды.

мұндағы: X -мольмен алынған адсорбцияланған зат мөлшері,

m – адсорбент кг алынған,

Ср – ертіндідегі зат концентрациясы,

k – және 1/n – константалар. k және 1/n константаларының мәндерін табу үшін Фрейндлихтің теңдеуін логарифмдеу жолымен түзу теңдеуіне айналдырамыз.

lg X/m = lg k + 1/n lgCp (4)

lgК

Сурет 2 – Фрейндлихтің адсорбция изотермасының логарифмдік пішіні.

Фрейндлих теңдеуі зат молекулалық түрде адсорбцияланғанда диссоциацияланбаған немесе аз диссоциацияланған жағдайда қолдануға тиімді. Молекулалық адсорбция еріген заттың табиғатына, құрылысына және адсорбенттің бетінің табиғатына, еріткіштің табиғатына байланысты қайтымды болады және температура өскен сайын әлсірейді.



Сұйық – газ шекарасындағы адсорбция.

Беттік еркін энергия F беттің өнімімен S беттік керілуге (σ) тең:

R – универсал газ тұрақтысы,

Т – абсолюттік температура,

С – концентрация (кмоль/м³)

σ – беттік берілу (Н/м)
С

Сурет 3 – Сұйық-газ шекарасындағы Гиббс адсорбциясының изотермасы.

dσ/dс өлшемін беттік активтілік деп атайды. 3 суретте Гиббс адсорбциясының изотермасы кескінделген.

1). Техникалық таразы.

2). Фарфор келі.

3). Конусты колбалар 100 см³ – 15 дана.

4). Өлшеуіш колба 25 см³ – 1дана.

5). Титрлеу үшін бюретка 25 см³.

6). Пипеткалар 2, 5, 10 және 25 см³.

7). Сірке қышқылының сулы ерітіндісі СН₃СООН (0,05 моль/дм³).

8). Калий гидроксидінің сулы ерітіндісі КОН (0,01 моль/дм³).

9). Фенолфталеин.

10). Фильтр қағазы.

11). Активтелген көмір.

Активтелген көмірде сірке қышқылының адсорбциясын зерттеу ерітінді концентрациясын адсорбентпен байланысқа түскенге дейін С₀ және адсорбциялық тепе-теңдік орнағаннан кейін С анықтауға негізделген. Адсорбцияланған қышқылдың мөлшерін келесі теңдеу бойынша есептейді:

Олай болса, меншікті адсорбция:

Әртүрлі концентрациядағы адсорбция анықталғаннан кейін «а–с» координаталарындағы адсорбция изотермасының графигі тұрғызылады. Лэнгмюрдің адсорбциялық теориясына сәйкес адсорбент бетінің барлық бөлімі біртекті болып саналады, барлық молекулалардың адсорбция энергиясы бірдей болады.

Титрлеу – бұл зерттелетін ерітіндіге белгілі концентрациядағы жұмыс ерітіндісін біртіндеп қосу. Қышқыл мен сілті арасында жүретін бейтараптану әдісінің негізгі реакциясы мына теңдеумен өрнектеледі:

Егер индикатор – әлсіз қышқыл болса, онда оның теңдеуін Hind арқылы өрнектеуге болады. Мұндай индикатор келесі схема бойынша иондарға ыдырайды:

HInd ↔ H⁺ + Ind^─
Ерітіндіге қышқыл қосқанда индикатор аттас Н⁺ иондардың әсерінен диссоциацияланбаған күйде болады. Олай болса, индикатордың түсі қышқыл ортада оның диссоциацияланбаған молекулаларының Hind түсіне сәйкес болады. Қышқылды сілтімен титрлеу барысында ерітіндіде сутек иондарының концентрациясы азаяды, сәйкесінше, индикатордың диссоциацияланған молекулаларының мөлшері артады. Бұл арқылы титрлеу барысынды ерітіндінің түсінің өзгеруі түсіндіріледі.

Ерітіндіні титрлеу – өзара бір-бірімен эквивалентті көлемдерді анықтау. Зерттелетін ерітінді концентрациясын есептеу келесі теңдеу арқылы өрнектеледі:

С_қ = С_с V_с / V_қ , мұндағы (8)
С_с – титрленген сілті ерітіндісінің көлемі, моль/ дм³

V_қ – титрлеуге алынған қышқыл көлемі, см³

V_с – титрлеуге жұмсалған сілті көлемі, см³

Титрлеу нәтижесі бойынша қышқыл концентрациясын есептеу эквиваленттер заңына сәйкес жүргізіледі.

Титрлеуге фенолфталеин индикаторы алынды, яғни әлсіз қышқыл күшті сілтімен титрленеді және титрлеу соңында қышқылмен титрленетін калий тұзының ерітіндісі түзіледі, осы тұздың гидролизі барысында сілтілік реакцияны көрсетеді және нақты түс пайда болады:
СН₃СОО^─ + Н₂О → СН₃СООН + ОН^─
Зерттеу әдістемесі.

А) Активтелген көмірді фарфор келіде өлшемдері 1 мм кем емес етіп ұсақтайды, осы кезде артық ұсақ шаңдар түзілмеуі қажет. Техникалық таразыда әрқайсысы 0,3 г болатын 5 түрлі салмақтағы көмірді өлшеп алады.

Әр массаны жеке-жеке 100 см³–ты конусты колбаға салады. Содан соң сірке қышқылының 5 ерітіндісін дайындайды: 25 см³–ты өлшеуіш колбаға 1 см³ сірке қышқылын С=0,05 моль/дм³ құйып, колбаның белгісіне дейін дистилденген су құйып, араластырады. Екінші ерітіндіні дайындау үшін өлшеуіш колбаға 2,5 см³ бастапқы ерітіндіні СН₃СООН (С=0,05 моль/дм³) құйып, белгіге дейін су құйып араластырады. Үшінші ерітіндіні дайындау үшін өлшеуіш колбаға 5 см³ бастапқы ерітіндіні құяды, төртіншіге – 10 см³, бесіншіге – 25 см³.

Әрбір дайындалған ерітіндіні көмірі бар конусты колбаға көшіріп, 40 минутқа қояды, әрбір 5 минут сайын колбаны араластырып отырады. 40 минут адсорбциядан соң сірке қышқылының ерітінділерін фильтрлейді. Сірке қышқылының концентрациясын адсорбциядан кейін фенолфталеин индикаторын қолданып, бейтараптау әдісі арқылы сілтімен КОН (С=0,01 моль/дм³) тирлеу арқылы анықтайды.

Осы кезде жүретін процесс:

1.Сірке қышқылы ерітіндісінің бес түрлі концентрациясын дайындауды есептеу:

С₀ = С_баст.V_баст./ V_ө.к.
мұндағы V_баст. – сірке қышқылы ерітіндісінің бастапқы концентрациясы см³;

С_баст. = 0,05 моль/дм³; V_ө.к. – өлшеуіш колба көлемі, 25 см³ –ке тең.

2. (8) теңдеу бойынша адсорбциядан кейінгі сірке қышқылының концентрациясын есептеу.

3. (7) теңдеу бойынша меншікті адсорбцияны есептеу.

lg Х/m=lgK+l/n lgCp.

lg X/m = f(lgCp) тәуелді графигін құру қажет. Осы шамаларды есептейміз:

Х = ( С₁- Ср ) ∙V, сонда

X ₁ = ( 0,5522 – 0,5129 ) ∙ 2,5∙ 10^-5 = 9,82∙10^-6

X ₂ = ( 0,1586 –0,1413 ) ∙ 2,5∙ 10^-5 = 4,32∙10^-6

X ₃ = ( 0,1248 – 0,1096 ) ∙2,5∙10^-3 = 3,80 ∙10^-6

lg x₁/m_{1 =} lg 15,07∙10^-3 = 1,1781 – 3 = – 1,8219

lg x₃/m₃ = lg6,68∙10^-3= 0,8248 – 3 = – 2,1752

lgC^I_p = lg 0,5129 = – 0,2999

lgC^II _p = lg 0,1413 = – 0,8495

lgC^III _p = lg 0,1096 = – 0,9602 .

Осы шамаларды (2-сурет) графикке түсіре отырып, Фрейндлих теңдеуіндегі К және l/n тұрақтысын табамыз:

Х/m = К∙Ср^1/n

Кесінді ОА=0,35=lgK; K=2,24

OA/OB=tgα=1/n=0,35:0,55=0,63

Фрейндлихтің теңдеуіндегі тұрақты K=2,24; 1/n=0,63

Шешуі: 1∙10^-3 кг сияның ауданын табамыз:

Қалыпты жағдайда 1∙10^-5м³ сутегідегі молекула:

1. 
   молеула алатын ауданы _ құрайды.
   

«АДСОРБЦИЯ» ТАҚЫРЫБЫНА БАҚЫЛАУ СҰРАҚТАРЫ.

2. Сұйық-газ, қатты дене-газ, қатты дене-ертінді шекарасындағы адсорбция.

3. Гиббс, Ленгмюр, Фрейндлихтің адсорбция изотермиялары туралы айту.

4. Айырбас адсорбция деген не? Айырбас адсорбция изотермасы. Аниониттер мен катиониттердің қолданылуы.

5.Хромотографиялық адсорбцияның мәні неде? жіктеу, ион алмасу және тұнбалы хромотографиясы.

6. Адсорбция құбылысының іс жүзіндегі қолданылуы.