Адсорбция газов и паров на поверхности твердых тел
Когда адсорбент
─ твердое пористое тело или порошок
входят в контакт с газом в изолированном
сосуде, то давление газа уменьшается,
а масса адсорбента увеличивается. При
этом в условиях равновесия концентрация
газа на поверхности выше, чем в его
объеме.
Сорбция газов ─
сложный процесс, он обычно слагается
из нескольких более простых стадий.
Вслед за
адсорбцией,
т. е. концентрированием газа на поверхности,
происходит поглощение газа всем объемом
сорбента ─ абсорбция.
При этом молекулы газа проникают в массу
твердого тела (или жидкости) и образуется
твердый или жидкий раствор. Вследствие
замедленности диффузии абсорбция
требует большего времени, чем адсорбция.
При хемосорбции
молекулы
газа образуют с адсорбентом химическое
соединение. Хемосорбция может быть
поверхностной,
(химическая
реакция протекает только в пределах
поверхностного слоя). Например, при
адсорбции кислорода на поверхности
алюминия происходит реакция: 4Al
+ 3O2
= 2Al2O3.
В результате алюминий покрывается
прочной оксидной пленкой, непроницаемой
для газов.
Хемосорбция может
быть и объемной,
когда слой вещества, образовавшегося
в результате реакции на поверхности,
не препятствует дальнейшему проникновению
газа в объем твердого адсорбента.
Например: CaO(ТВ)
+ CO2(газ)
= CaCO3(ТВ),
эта реакция распространяется на весь
объем твердого адсорбента CaO.
При наличии
у адсорбента мелких пор адсорбция
сопровождается конденсацией паров в
порах твердого тела ─ капиллярной
конденсацией.
Это явление характерно только для паров
веществ. Пары, поглощаясь пористым
адсорбентом, могут превращаться в
жидкость, а газы сжижаться не могут. Пар
─ это газ, находящийся при температуре,
ниже своей критической температуры.
Например, при комнатной температуре мы
обсуждаем свойства паров хлора, паров
воды, но свойства газов водорода или
кислорода. Количество удерживаемой
капиллярными силами жидкости зависит
от давления и условий смачивания
жидкостью стенок капилляров, образованных
порами адсорбента.
Величина адсорбции
газа может быть охарактеризована
количеством моль газа (или массой, или
объемом газа), на единицу массы адсорбента.
Основные факторы, оказывающие влияние
на величину адсорбции ─ это температура,
концентрация и природа газа, состав и
структура адсорбента.
Адсорбция в нашей жизни
МБОУ «СОШ» пгт. Войвож
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке “Файлы работы” в формате PDF
1. Введение. Актуальность темы. Гипотеза.
При употреблении в пищу недоброкачественных продуктов, при отравлении ядовитыми веществами первая помощь – это применение активированного угля в качестве адсорбента.
Истрия поглотительной способности древесного угля интересна и берет начало с 18 века. В 1773 году К. Шееле наблюдал адсорбцию газов на древесном угле, в 1785 году Т. Ловиц адсорбировал из раствора вещества древесным углем. Он применял древесный уголь для очистки разных веществ: лекарств, питьевой соды, хлебной водки, питьевой воды, меда, селитры и других веществ. В 1794 году активированный уголь был использован для осветления сиропов на сахарно-рафинадном заводе в Англии. В 19 столетии исследование адсорбционных свойств угля было продолжено, но только в начале 20 века были заложены основы промышленного производства активных углей. Сейчас применение активированного угля, использование его адсорбирующих свойств также актуально, как и раньше. В годы Первой мировой войны был изобретен противогаз, который активно используется в наши дни. Человек не смог изобрести альтернативу такому сильному поглотителю, как активированный уголь. Изучая химию, я хочу подробнее узнать: почему активированный уголь обладает такими свойствами и существуют ли другие вещества- адсорбенты.
Цель: познакомиться с адсорбционной способностью активированного угля, сравнить его адсорбционные свойства с другими адсорбентами.
1. Изучить литературу по данному вопросу
2. Изучить историю создания первого противогаза.
3. Провести эксперименты с активированным углем, белым углем, полифепаном, энтеросгелем и сделать соответствующие выводы.
Объект исследования: адсорбция веществ.
Предмет исследования: адсорбирующая способность некоторых адсорбентов.
Время исследования: май-октябрь 2018 года.
теоретические (изучение литературы, интернет-ресурсов );
экспериментальные (постановка опытов)
эмпирические (наблюдение, сравнение, аналогии, обобщение).
Гипотеза: Изучив литературу по вопросу «Явление адсорбции. Адсорбенты», я хочу убедиться на практике в том, что активированный уголь действительно обладает необычными и интересными свойствами, а так же сравнить адсорбирующую способность угля с другими адсорбентами.
2. Основная часть
2.1 Понятие адсорбции
Слово «сорбция» пришло к нам из латыни. Соответствующий ему латинский глагол означает «поглощать». Сорбционные процессы – это физико-химические процессы поглощения газов и жидкостей или растворенных в жидкости веществ твердыми телами или другими жидкостями. Десорбция – обратный процесс выделения поглощенных газообразных или жидких веществ.
Различают два основных типа сорбционных процессов: абсорбцию и адсорбцию. При абсорбции поглощаемое вещество улавливается всем объемом поглотителя, при адсорбции – только поверхностью. Частный случай адсорбции – хемосорбция, когда одновременно протекают физический процесс сорбции и химическая реакция между молекулами сорбируемого вещества и сорбента (сорбирующего вещества).
Различают два вида адсорбции: физическую и химическую (хемосорбцию).
Менее прочная физическая адсорбция не сопровождается существенными изменениями молекул адсорбата. Она обусловлена силами межмолекулярного взаимодействия, которые связывают молекулы в жидкостях и некоторых кристаллах и проявляются в поведении сильно сжатых газов. Существенное отличие физической адсорбции – ее обратимость. При хемосорбции молекулы адсорбата и адсорбента образуют химические соединения. Часто адсорбция обусловлена и физическими и химическими силами, поэтому не существует четкой границы между физической адсорбцией и хемосорбцией.
При хемосорбции между атомами (молекулами) адсорбента и адсорбата образуется химическая связь, т.е. хемосорбцию можно рассматривать как химическую реакцию, область протекания которой ограничена поверхностным слоем. В некоторых случаях на одной поверхности могут протекать одновременно и физическая и химическая адсорбция. Как и в случае химических реакций, адсорбент хемосорбирует не любые молекулы, а только те, которые вступают в соединении, определяется ковалентными силами с некоторой долей ионной составляющей. Определяющую роль при хемосорбции должен играть обмен электронами между адсорбентом и адсорбатом.
2.2. Применение адсорбции.
Природные и синтетические адсорбенты широко используют в начальных исследованиях, в медицине, в хроматографии, при получении твердых катализаторов и т.д.
Хроматография (от греч. , род. п. – цвет и «графия»), метод разделения и анализа смесей, основан на различном распределении их компонентов между двумя фазами – неподвижной и подвижной (элюентом).
Хроматография может быть основана различной способности компонентов к адсорбции (адсорбционная хроматография), абсорбции (распределительная хроматография), ионному обмену (ионообменная хроматография). В зависимости от агрегатного состояния элюента различают газовую и жидкостную хроматографию. Хроматографию широко используют в лабораториях и в промышленности для контроля производства и выделения индивидуальных веществ.
Катализ (от греч. – разрушение), ускорение химической реакции в присутствии веществ – катализаторов, которые взаимодействуют с реагентами, но в реакции не расходуются и не входят в состав продуктов. Катализ обусловливает высокие скорости реакций при небольших температурах;
Предпочтительно образование определенного продукта из ряда возможных.
Каталитические реакции являются основой многих химико-технологических процессов (напр., производства серной кислоты, некоторых полимеров, аммиака). Большинство процессов, происходящих в живых организмах, также являются каталитическими (ферментативными).
Как отделить фермент от продуктов? Промышленные каталитические процессы предпочитают вести на твердых катализаторах, тогда проблема разделения исчезает. В качестве эксперимента попробовали, и фермент прикрепили к твердому носителю. Одним из способов такого прикрепления является адсорбция – обратимое связывание вещества с поверхностью твердого тела без химического изменения. В 1916 году впервые было обнаружено, что при адсорбции инвертазы – фермента, расщепляющего сахарозу на более простые углеводы (глюкозу и фруктозу), на угле или гидроксиде алюминия она сохраняет каталитическую активность. А в 1939 году получен первый патент на применение протеаз, адсорбированных на древесных опилках, для обработки шкур животных.
Адсорбция на нерастворимых носителях – это самый простой и самый старый из физических методов. Фермент как бы приклеивается к поверхности за счет водородных, гидрофобных, электростатических взаимодействий. Но поскольку химических связей нет, «склеивание» часто оказывается непрочным.
2.3 История создания противогаза
Первые в Российской империи шланговые противогазы применялись при золочении куполов Исаакиевского собора в Санкт-Петербурге, в 1838—1841 годах. Представляли собой стеклянные колпаки со шлангом, через который подавался воздух, однако не спасли от отравления, погибли 60 мастеров. По-видимому, не было защиты кожи, через которую могут впитываться пары ртути высокой концентрации. Первый в мире фильтрующий угольный противогаз, изобретенный в Российской империи русским учёным Николаем Дмитриевичем Зелинским , был принят на вооружение армией материалом в нём был
Адсорбенты – это вещества, обладающие способностью адсорбции (от лат. Ad – на, и sorbeo – поглощаю), т. е. поглощения, всасывания какого-либо другого вещества из раствора или из газа только своей поверхностью, в отличие от , которые поглощают, всасывают всей своей массой.
Адсорбенты применяются как носители в катализе, как наполнители для полимеров, для хроматографического разделения смесей в хроматографии, в противогазах, в медицине, в нефтепереработке (риформинг, гидроочистка, гидрокрекинг), нефтехимии для очистки нефтепродуктов (нефти, бензина и т. д.) и газов, адсорбционной очистки масел, прежде всего трансформаторных, от кислот — продуктов окисления масел, как статические осушители при консервации приборов и оборудования, а также в высоковакуумной технике для сорбционных насосов. Адсорбент данной марки можно применять для водоподготовки, очистки питьевой, хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод.
Адсорбенты-осушители. Необходимость осушки и очистки присутствует в разнообразных процессах, в числе которых, например, кондиционирование воздуха или транспортировка природного газа по трубопроводам. Осушка природного газа обеспечивает непрерывную эксплуатацию оборудования и газопроводов, предотвращая образование ледяных и гидратных пробок. В повседневной жизни адсорбенты используются как энтеросорбенты при пищевых отравлениях, аллергических реакциях на некоторые препараты (приложение 3), а так же используют для очистки воды.
3. Мои исследования
Цель: проверить адсорбирующую способность активированного угля и сравнить с адсорбирующей способностью других адсорбентов, которые мы купили в аптеке.
3.1. Проверка адсорбирующей способности активированного угля.
Оборудование: сера, спички, спиртовка, ложка для сжигания веществ, активированный уголь, 2 колбы с пробирками. (приложение 5)
В две одинаковые колбы с пробками положила красные цветки герани. В одну из них положила таблетку активированного угля. ( Активированный уголь растерла в ступке для увеличения поверхности соприкосновения.)
В специальной ложке зажгла серу. В процессе горения образуется оксид серы (ӀV). Затем отпустила ложечку в каждую колбу и плотно закрыла пробкой. Через некоторое время цветки в одной колбе изменили окраску (посветлели), а там где была таблетка активированного угля – окраска не изменилась.
Вывод по результатам исследования:
Адсорбирующие свойства активированного угля воспрепятствовали воздействию оксида серы (ӀV).
Значит, активированный уголь является хорошим адсорбентом.
3.2. Сравнение адсорбирующей способности разных адсорбентов. (приложение 6, 7)
Оборудование: активированный уголь, белый уголь, полифепан, энтеросгель, рифампицин (антибиотик), фенол, вода, мерный цилиндр, весы с разновесами, стаканы (8 штук).
Приготовила раствор рифампицина – 0,3% концентраци (300 мг вещества растворили в 100 г воды), разлила в 4 стакана.
Затем добавила: в 1-й стакан – 3 таблетки активированного угля,
во 2-й стакан- 3 таблетки белого угля
в 3-й стакан- ½ пакетика полифепана
в 4-й стакан- чайную ложку энтеросгеля
Приготовила раствор фенола – 0,3 % концентрации (300 мг вещества растворили в 100 г воды), разлила в 4 стакана.
Результаты эксперимента (оценка по 5-ти бальной шкале)
Выводы по результатам исследования:
Адсорбирующую способность в той или иной степени показали все адсорбенты.
В опыте с рифампицином лучшую адсорбирующую способность в первый день показал полифепан, а спустя неделю – активированный уголь.
В опыте с фенолом лучшую адсорбирующую способность показал активированный уголь и в первый день и спустя неделю.
Адсорбирующая способность других адсорбентов представлена в таблице.
После того, как я изучила специальную литературу по предмету, узнала новые понятия, явления, процессы, провела эксперимент, я хочу подвести итог моим исследованиям.
Я убедилась на практике, что активированный уголь действительно обладает необычными адсорбирующими свойствами. Именно, основываясь на знаниях об активированном угле, Н. Д. Зелинский изобрел противогаз. Горжусь тем, что мой соотечественник первым изобрел противогаз, тем самым спас много человеческих жизней.
Я сравнила адсорбирующую способность активированного угля , белого угля, полифепана и энтеросгеля. Без всякого сомнения, искусственные адсорбенты, например энтеросгель или полифепан имеют очень хорошую поглотительную способность. Но всё-таки я пришла к выводу, что человечество постоянно совершенствуясь в различных сферах, имеет очень малый шанс найти более сильный поглотитель, чем активированный уголь. Таким образом, изучая химию, я надеюсь, продолжить расширять свои знания и узнавать больше о свойствах составляющих предметов окружающего мира.
Большая Советская энциклопедия том 2 с. 114-118
Слинякова И. Б., Денисова Т. И. Кремнийорганические адсорбенты : получениие, свойства, применение. — АН УССР, Ин-т физ. химии им. Л. В. Писаржевского. Наук. думка – Киев, 1988. — 190 с.
Справочник юного химика, Просвещение, 1984 г,с 125-128
Энциклопедия. Химия, Аванта,2003г с85-86
Фильтр для воды. Очистка сточных вод.
Нефтеклин – магнитный собиратель-адсорбент для удаления нефтяных разливов с поверхности воды и с твердых поверхностей.
Зелинский Николай Дмитриевич – 6 февраля 1861 г, Тирасполь Херсонской губернии, ныне Молдавия – 31 июля 1953 г, Москва, российский химик-органик, автор фундаментальных открытий в области синтеза углеводородов, органического катализа, каталитического крекинга нефти, гидролиза белков и противохимической защиты.
Солдаты Духовщинского 267-го пехотного полка
в противогазах Зелинского-Кумманта, 1916 год.
Противогаз – устройство (прибор) для защиты органов дыхания, глаз и лица человека от отравляющих и радиоактивных веществ, бактериальных средств – бактерий, вирусов и др., находящихся в воздухе. Делятся на фильтрующие и изолирующие.
Препараты (активированный уголь, белый уголь, полифепан, энтеросгель, рифампицин), которые я использовала в исследовании.
Уголь активированный. Белый уголь.
. Характеристика некоторых адсорбентов.
Экспериментальный этап работы
Экспериментальный этап работы.
(Опыт с рифампицином)
Начальный результат эксперимента.
Результат эксперимента через неделю.
(Опыт с фенолом)
Адсорбция – неизвестное об известном
МБОУ “Холмовская средняя школа”
1. Актуальность работы. Я считаю, что на данный момент тема «Адсорбция» – поглощение вредного, опасного для жизни, имеет большое значение для человека – его жизни и деятельности. Ведь загрязнение окружающей среды очень пагубно влияет на природу, тем самым воздействуя на человека.
2. Объект исследования. Объектом моего исследования стал такой процесс как “ Адсорбция” и различные адсорбенты.
3. Гипотеза. Адсорбент спасает жизнь человека: очищая воду, воздух, почву, дыхательную систему и желудочно-кишечный тракт при отравлениях, а также выбросы в окружающую среду с химических предприятий, очистных сооружений. Используемые человеком различные адсорбенты обладают различными адсорбционными свойствами.
4. Цель исследования. Целью моего исследования является изучение процесса “Адсорбция”, её характеристик и свойств различных адсорбентов.
5. Задачи исследования. Изучить сущность процесса адсорбции, ее классификацию, механизм; сравнить вещества, обладающие высокой адсорбционной способностью; ознакомиться с использованием данного явления в быту и промышленности; изучить свойства отдельных адсорбентов.
6. Методы исследования.
а). Библиографический анализ литературы и материалов сети интернета.
г). Сравнительный анализ.
д). Проведение лабораторного опыта.
е). Проведение учебно-исследовательского эксперимента.
ж). Анализ полученных результатов эксперимента.
з). Компьютерное моделирование.
7. Теоретическая значимость исследования.
Теоретические знания, приобретенные мною при работе над темой, могут пригодиться на уроках химии, биологии, ОБЖ, при поступлении в высшие учебные заведения, связанные с химией и биологией, также могут пригодиться при службе в армии и в повседневной моей жизни.
8. Практическая значимость исследования. Значимость исследовательской работы состоит в том, что она может быть использована для повышения образовательного уровня школьников, при изучении предметов химии, биологии, ОБЖ и подготовки к экзаменам при изучении темы адсорбция, а также в жизнедеятельности человека.
II. Основное содержание работы
1. Теоретическое изучение темы «Адсорбция»
1.1. Понятие адсорбция. Первые исторические сведения о процессе.
Адсо́рбция – (от лат. ad — на, при и sorbeo — поглощаю), поглощение газов, паров или жидкостей поверхностным слоем твердого тела (адсорбента) или жидкости.
Ирвинг Ленгмюр: Американский химик, лауреат Нобелевской премии по химии в 1932 году «за открытия и исследования в области химии поверхностных явлений» (Приложение 1)
Создатель изотермы адсорбции Ленгмюра и крупный исследователь в физико-химии поверхностным явлениям.
Родился 31 января 1881 г., Нью-Йорк, США.
Умер 16 августа 1957 г. (76 лет),
Награды: Нобелевская премия по химии.
В 1915 году русский учёный Николай Дмитриевич Зелинский разработал первый фильтрующий угольный противогаз (Приложение 2), который в 1916 году был принят на вооружение войсками Антанты. В качестве основного сорбирующего материала в нем впервые в истории использовался активированный уголь.
1.2. Виды адсорбции: физическая и химическая и их механизм. Адсорбция бывает 2-х видов: химическая и физическая.
Химическая адсорбция (так называемая хемосорбция). Хемосорбция представляет собой процесс поглощения поверхностью жидкого или твердого тела веществ из окружающей среды, сопровождающийся образованием химических соединений. При хемосорбции выделяется значительное количество теплоты. Обычно теплоты хемосорбции лежат в пределах 80 – 125 кДж/моль. Взаимодействие кислорода с металлами (окисление). При химической адсорбции молекула адсорбированного вещества реагирует химическими связями на поверхности адсорбента.
Физической адсорбции адсорбированные молекулы остаются стабильными, сохраняя свою индивидуальность. Адсорбированный слой связан с поверхностью слабыми межатомными связями. Теплота физической адсорбции, как правило, невелика и редко превосходит несколько десятков кДж/моль (~ 40 кДж/моль).
Процесс физической адсорбции обратим, относится к не активируемым, протекает очень быстро, как только молекулы адсорбента окажутся на поверхности твердого или жидкого тела.
1.3. Особенность процессов адсорбции.
Особенностью процессов адсорбции являются: избирательность и обратимость. Благодаря этой особенности процесса возможно поглощение из паро-газовых смесей или растворов одного или нескольких компонентов, а затем в других условиях, десорбирование их, т. е. выделение нужного компонента из твердой фазы в более или менее чистом виде.
1.4. Адсорбенты: их структура и применение.
Адсорбент должен обладать следующими основными свойствами:
1) необходимой селективностью;
2) отсутствием каталитической активности и химической инертностью к компонентам разделяемой смеси;
4) достаточной механической прочностью;
5) линейностью изотермы адсорбции;
6) быть доступным.
Адсорбенты применяют в противогазах, в качестве носителей катализаторов, для очистки газов, спиртов, масел, при переработке нефти, в медицине для поглощения газов и ядов.
Адсорбент, используемый в промышленности – это адсорбент с высокоразвитой поверхностью.
Адсорбция лежит в основе клинического анализа крови на СОЭ (Скорость Осаждения Эритроцитов). Так, при инфекционных заболеваниях в крови происходит обменная адсорбция: вместо ионов электролитов поверхность эритроцитов занимают молекулы белков. При этом заряд эритроцитов понижается и они быстрее объединяются и оседают.
Адсорбционная терапия применяется для удаления токсинов и вредных веществ из пищеварительного тракта. Такие адсорбенты, как гидроксид алюминия, оксид магния, фосфат алюминия, входят в состав препаратов алмагель, фосфалюгель. ( Приложение 3)
Характерной особенностью твердых поверхностей является их пористость (отношение суммарного объема пор к общему объему адсорбента). Природа поверхности адсорбента, размеры и форма его пор влияют на адсорбцию, изменяют ее характеристики, т.е. механизм адсорбции.
Особенности адсорбции на поверхности твердых тел. Твердые поверхности в качестве адсорбентов используются для адсорбции газов или жидкостей, а адсорбционные процессы при этом протекают на границе раздела твердое тело – газ и твердое тело — жидкость. Твердые адсорбенты имеют поры различного размера.
1.5. Активированный уголь – его получение.
Активированный уголь – это максимально естественное и простое средство для очищения организма. ( Приложение 4) Пористое вещество, которое получают из различных углеродосодержащих материалов органического происхождения: древесного угля, каменноугольного кокса, нефтяного кокса, скорлупы кокосовых орехов и других материалов. Содержит огромное количество пор и поэтому имеет очень большую удельную поверхность на единицу массы, вследствие чего обладает высокой адсорбционной способностью. В зависимости от технологии изготовления, 1 грамм активированного угля может иметь поверхность от 500 до 1500 м². Применяют в медицине и промышленности для очистки, разделения и извлечения различных веществ.
1.6. Практическое значение адсорбции.
Применение адсорбции для поглощения паров или газообразных веществ используется чаще всего для очистки воздуха. При этом сохраняют свое значение те же закономерности, которые были найдены для адсорбции из жидкой фазы, в частности зависимость между степенью адсорбции и диэлектрической проницаемостью. Так, вещества, поглощенные полярным адсорбентом, легко можно вытеснить парами воды или спирта.
Области применения адсорбции непрерывно расширяются, возникают новые технологические операции, основанные на адсорбции, В последние годы в результате разработки более совершенной аппаратуры и улучшения качества сорбентов созданы адсорбционные установки для облагораживания бензиновых фракций с целью получения моторных топлив с повышенным октановым числом. Эти установки по экономичности не только не уступают абсорбционным или ректификационным установкам, но в ряде случаев превосходят их.
При помощи различных твёрдых адсорбентов производится улавливание ценных паров и газов, осветление растворов в производстве сахаров, глюкозы, многих формацевтических препаратов, нефтепродуктов.
Адсорбцией извлекают малые количества веществ, растворенных в больших объёмах жидкости. Используются при крашении волокон, при обогащении полезных ископаемых. Ионообменная адсорбция нашла широкое применение в пищевой промышленности.
Адсорбцию из жидких растворов широко используют как метод очистки сточных вод для обезвреживания их от веществ, растворенных как в виде молекул, так и в виде ионов: красителей, пестицидов, гербицидов, фенолов, кислот, щелочей, солей, ПАВ и многих других.
Адсорбционные явления лежат в основе процессов крашения, стирки, хроматографии, гетерогенного катализа.
Использование различных адсорбентов при промышленном производстве пищевых продуктов позволяет осветлять растительные масла, вина, пиво; отбеливать сахарный сок.
В медицине − при лечении желудочных заболеваний, различного рода токсических отравлениях также активно протекают десорбционные процессы. Вкусовые ощущения человека связаны с адсорбцией пищевых веществ на определенных участках языка.
При помощи ионообменной адсорбции питаются растения, восстанавливается плодородие почв вносимыми удобрениями, умягчается и опресняется соленая вода, формируются вторичные рудные месторождения.
Адсорбенты применяют в:
1. противогазах;(Приложение 5)
2. в качестве носителей катализаторов; (Приложение 5)
3. для очистки газов, спиртов, масел, бензина; (Приложение 5)
4. для разделения спиртов; (Приложение 5)
5. при переработке нефти; (Приложение 5)
6. в медицине для поглощения газов и ядов. ( Приложение 5)
2. Экспериментальная часть.
Все стаканы и пробирки пронумерованы от 1 до 3. Под №1 находится адсорбент Активированный уголь; под №2 – Полисорб МП (кремния диаксид коллоидный); под №3 – Энтеросгель (Полиметилсилоксана полигидрат). ( Приложение 6)
2.1. Учебно-исследовательский эксперимент “ Поглощение запаха различными адсорбентами”.
Этот эксперимент был сделан для того, чтобы проверить, какие адсорбенты (которые можно купить в обычной аптеке) лучше справятся с устранением едкого запаха аммиака. В пронумерованные пробирки я распределил адсорбенты и залил аммиак. Но для того, чтобы это вещество не улетучилось, я закупорил горлышки пробирок ваткой. После определял, где запах уменьшился. Этот эксперимент показал, что лучшим устранителем запаха аммиака является активированный уголь (Приложение 7).
2.2. Учебно-исследовательский эксперимент “Обесцвечивание раствора йода различными адсорбентами ”.
Для этого эксперимента мне понадобилось: пронумерованные стаканчики; выбранные мной адсорбенты и раствор йода. С начала я приготовил р-р йода и разлил по стаканчикам. После погрузил адсорбенты и через полчаса наблюдал, что раствор в стаканчике №1 обесцветился, №2 – почти не изменился, №3 – чуть потускнел (Приложение 8). Лучшим адсорбентом вновь стал активированный уголь.
2.3. Учебно-исследовательский эксперимент “ Обесцвечивание раствора бриллиантового зеленого различными адсорбентами”.
В 3-м опыте я проверил действие адсорбентов на раствор бриллиантового зелёного. В первый и последующие стаканчики я погрузил адсорбенты. После 30 минут я наблюдал, что р-р с активированным углём почти полностью потерял цвет. Во втором же и третьем стаканчике цвет р-ра лишь немного потускнел (Приложение 9). Снова активированный уголь показал лучшие адсорбирующие свойства.
2.4. Учебно-исследовательский эксперимент “ Обесцвечивание раствора мандаринного сока различными адсорбентами”.
Для этого эксперимента мне понадобилось: пронумерованные стаканчики; различные адсорбенты и мандаринный сок. Для начала я выжал из мандарина сок и разместил по стаканчикам. После погрузил адсорбенты и через полчаса наблюдал, что сок в первом стаканчике обесцветился, во втором почти не изменил цвет, в третьем стал менее ярким (Приложение 10). Я вновь убедился, что активированный уголь – лучший адсорбент.
2.5. Учебно-исследовательский эксперимент “Обесцвечивание раствора свекольного сока различными адсорбентами ”.
С помощью этого опыта, я хотел узнать, как, выбранные мной адсорбенты, взаимодействуют с этим раствором. По пронумерованным стаканчикам я разлил разбавленный водой свекольный сок. Добавил адсорбенты. С течением получаса я заметил, что в стаканчике, где адсорбентом послужил активированный уголь, раствор сильно побледнел. Остальные же лишь чуть поменяли цвет (Приложение 11).
2.6. Выводы по результатам экспериментов.
При проведении учебно-исследовательских экспериментов я удостоверился, что лучшим адсорбентом является Активированный уголь.
Все остальные адсорбенты хуже справились с поставленными задачами.
III. Заключение и выводы по работе
Рассмотрел процесс адсорбции. Выяснил, что адсорбенты очень широко распространены в жизни человека и им широко применяются. Используются на заводах по переработке и очистки газов, спиртов, масел, бензина. Так же ещё применяют и в военном деле в качестве носителей катализаторов.
Рассмотрел свойства и практическое значение адсорбции.
Выяснил, что представляют собой активированный уголь и другие адсорбенты, и для чего используются эти адсорбенты.
При проведении учебно-исследовательских экспериментов я удостоверился, что лучшим адсорбентом является Активированный уголь. Все остальные адсорбенты хуже справились с поставленными задачами.
П. А. Оржековский, В. Н. Давыдов, Н. А. Титов – «Творчество учащихся на практических занятиях по химии». А РКТИ, Москва, 1999г.
Применение адсорбентов в:
2) в качестве носителей катализаторов
3) для очистки газов, спиртов, масел, бензина
4)для разделения спиртов
5) при переработке нефти
6) в медицине для поглощения газов и ядов
В предыдущем разделе говорилось о случае протекания гетерогенной реакции на поверхности — хемосорбции. Однако бывают случаи гетерогенных реакций по всему объёму, а не только на поверхности: это обычная гетерогенная реакция.
Поглощение по всему объёму может проходить и под воздействием физических сил. Этот случай называется абсорбцией.
Адсорбция — всеобщее и повсеместное явление, имеющее место всегда и везде, где есть поверхность раздела между фазами. Наибольшее практическое значение имеет адсорбция поверхностно-активных веществ и адсорбция примесей из газа либо жидкости специальными высокоэффективными адсорбентами. В качестве адсорбентов могут выступать разнообразные материалы с высокой удельной поверхностью: пористый углерод (наиболее распространённая форма — активированный уголь), силикагели, цеолиты, а также некоторые другие группы природных минералов и синтетических веществ. Адсорбционные свойства грунтов является важной характеристикой для инженерной геологии.
Адсорбция (особенно хемосорбция) имеет также важное значение в гетерогенном катализе. Пример адсорбционных установок приведён на странице азотные установки.
Установка для проведения адсорбции называется адсорбер.
Причиной адсорбции являются неспецифические (то есть не зависящие от природы вещества) Ван-дер-Ваальсовы силы. Адсорбция, осложнённая химическим взаимодействием между адсорбентом и адсорбатом, является особым случаем. Явления такого рода называют хемосорбцией и химической адсорбцией. « Обычную» адсорбцию в случае, когда требуется подчеркнуть природу сил взаимодействия, называют физической адсорбцией.
Физическая адсорбция является обратимым процессом, условие равновесия определяется равными скоростями адсорбции молекул адсорбтива P на вакантных местах поверхности адсорбента S* и десорбции — освобождения адсорбата из связанного состояния S − P:
уравнение равновесия в таком случае:
Количественно процесс физической мономолекулярной адсорбции в случае, когда межмолекулярным взаимодействием адсорбата можно пренебречь, описывается уравнением Ленгмюра:
где — доля площади поверхности адсорбента, занятая адсорбатом, — адсорбционный коэффициент Ленгмюра, а P — концентрация адсорбтива.
Поскольку и, соответственно, , уравнение адсорбционного равновесия может быть записано следующим образом:
Уравнение Ленгмюра является одной из форм уравнения изотермы адсорбции. Под уравнением изотермы адсорбции (чаще применяют сокращённый термин — изотерма адсорбции) понимают зависимость равновесной величины адсорбции от концентрации адсорбтива a=f(С) при постоянной температуре (T=const). Концентрация адсорбтива для случая адсорбции из жидкости выражается, как правило, в мольных либо массовых долях. Часто, особенно в случае адсорбции из растворов, пользуются относительной величиной: С/Сs, где С — концентрация, Сs — предельная концентрация (концентрация насыщения) адсорбтива при данной температуре. В случае адсорбции из газовой фазы концентрация может быть выражена в единицах абсолютного давления, либо, что особенно типично для адсорбции паров, в относительных единицах: P/Ps, где P — давление пара, Ps — давление насыщенных паров этого вещества. Саму величину адсорбции можно выразить также в единицах концентрации (отношение числа молекул адсорбата к общему числу молекул на границе раздела фаз). Для адсорбции на твёрдых адсорбентах, особенно при рассмотрении практических задач, используют отношение массы или количества поглощённого вещества к массе адсорбента, например мг/г или ммоль/г.
Практическое применение адсорбции из растворов
На поверхности раздела двух фаз помимо адсорбции, обусловленной в основном физическими взаимодействиями (главным образом это Ван-дер-Ваальсовы силы), может идти химическая реакция. Этот процесс называется хемосорбцией. Чёткое разделение на адсорбцию и хемосорбцию не всегда возможно. Одним из основных параметров, по которым различаются эти явления, является тепловой эффект: так, тепловой эффект физической адсорбции обычно близок к теплоте сжижения адсорбата, тепловой эффект хемосорбции значительно выше. Кроме того, в отличие от адсорбции, хемосорбция обычно является необратимой и локализованной, то есть происходит на определённых местах — активных центрах. Примером промежуточных вариантов, сочетающих черты и адсорбции, и хемосорбции, является взаимодействие кислорода на металлах и водорода на никеле: при низких температурах они адсорбируются по законам физической адсорбции, но при повышении температуры начинает протекать хемосорбция.
Адсорбция
является универсальным методом,
позволяющим практически полностью
извлечь примесь из газовой или жидкой
среды. В химической промышленности, в
частности в ТНВ, адсорбционный метод
широко используется для гладкой очистки
и осушки технологических потоков,
улучшения качества сырья и продуктов
и является одним из методов защиты
окружающей среды.
Адсорбция
– это концентрирование веществ на
поверхности или в объеме твердого тела.
В процессе адсорбции участвуют как
минимум два компонента. Твердое
вещество, на поверхности или в объеме
которого происходит концентрирование
поглощаемого вещества, называется
адсорбентом.
Поглощаемое вещество, находящееся в
газовой или жидкой фазе называется
адсорбтивом,
а после того, как оно перешло в
адсорбированное состояние – адсорбатом.
Любое твердое вещество обладает
поверхностью, и следовательно, потенциально
является адсорбентом. Однако, в технике
используют твердые адсорбенты с развитой
внутренней поверхностью. Развитие
внутренней поверхности в твердом теле
достигается путем создания специальных
условий в процессе его синтеза или в
результате дополнительной обработки.
С
термодинамической точки зрения адсорбция
проявляется с уменьшением свободной
энергии Гиббса (G).
Как и все процессы, сопровождающие
уменьшением энергии Гиббса, адсорбция
является самопроизвольным процессом.
Переход вещества из газовой или жидкой
фазы в адсорбированное состояние связан
с потерей по меньшей мере одной степени
свободы, (трехмерная объемная газовая
или жидкая фаза
двухмерная поверхностная фаза), что
ведет к уменьшению энтропии системы
(S).
Поскольку энтальпия (Н)
связана с энергией Гиббса и энтропией
уравнением Н
= G
+ TS,
то в процессе адсорбции она убывает, и
следовательно, адсорбция – процесс
экзотермический.
Адсорбционные
явления делят на два основных типа:
физическую адсорбцию и хемосорбцию
(сорбцию, основанную на силах химического
взаимодействия). Физическая
адсорбция вызывается
силами молекулярного взаимодействия:
дисперсионными и электростатическими.
Дисперсионные силы вносят основной
вклад в энергию взаимодействия молекул.
Так, молекулы любого адсорбтива обладают
флуктуирующими диполями и квадруполями,
вызывающими мгновенные отклонения
распределения электронной плотности
от среднего распределения. При сближении
молекул адсорбтива с атомами или
молекулами адсорбента движение
флуктуирующих диполей приобретает
систематический и строго упорядоченный
характер, что приводит к возникновению
притяжения между ними. В ряде случаев
дисперсионные силы усиливаются
электростатическими силами –
ориентационными и индукционными.
Ориентационные силы возникают при
взаимодействии полярных молекул с
поверхностью, содержащей, электростатические
заряды (ионы, диполи), а индукционные –
вызываются изменением электронной
структуры молекул адсорбтива и адсорбента
под действием друг друга.
В
отличие от физической адсорбции, при
хемосорбции
не сохраняется индивидуальность
адсорбтива и адсорбента. При сближении
молекул адсорбтива с поверхностью
адсорбента происходит перераспределение
электронов взаимодействующих компонентов
с образованием химической связи. Если
физическую адсорбцию можно сравниь с
конденсацией, то хемосорбция рассматривается
как химический процесс, протекающий на
поверхности раздела фаз.
Физическую
адсорбцию и хемосорбцию можно отличить
на основании численного значения теплоты
адсорбции. Теплота адсорбции компонентов
промышленных газов соизмерима с теплотой
их конденсации и не превышает 85-125
кДж/моль. Теплота хемосорбции одного
моля вещества достигает нескольких
сотен кДж. Хемосорбция, как правило,
протекает с небольшой скоростью, это
обстоятельство часто используется для
ее распознания. Кроме того, хемосорбция
может протекать при высоких температурах,
когда физическая адсорбция пренебрежимо
мала. При хемоморбции характерным
является резкое, скачкообразное изменение
поглотительной способности по извлекаемому
компоненту при переходе от адсорбента
одной химической природы к адсорбенту
другой природы. При хемосорбции
адсорбированные молекулы не могут
перемещаться по поверхности адсорбента,
их положение фиксировано, и такая
адсорбция называется локализованной.
Физическая адсорбция может быть как
локализованной, так и не локализованной.
Обычно, при повышении температуры
молекулы приобретают подвижность и
характер процесса изменяется:
локализованная адсорбция переходит в
нелокализованную.
Соседние файлы в папке Шпоры