Интегративный урок физколлоидная химия + физика по теме "Адсорбция"

Разделы: Химия

Цели:
Обучающие:

  • изучить явление адсорбции ( физическая и химическая);
  • пронаблюдать и проанализировать явление адсорбции;
  • самостоятельно сформулировать определение адсорбции;
  • найти примеры  практического применения адсорбции в профессиональной деятельности и в жизни.

Развивающие:

  • продолжить развитие навыков самостоятельной работы студентов (делать выводы, анализировать, сравнивать, наблюдать).
  • продолжить развитие навыков техники лабораторных работ (фильтрование, взбалтывание);
  • развивать коммуникативные умения (вступать в контакт, выразить мысль, оказать помощь, сотрудничать).

Воспитывающие:

  • воспитание активной самостоятельности в учении;
  • воспитание отношений сотрудничества;
  • воспитание чувства коллективизма.

Методическая цель: методика межпредметной интеграции учебного материала.

Вид интеграции: межпредметная.

Результаты интегрирования:

  • формирование мировоззрения студентов
  • расширение предмета познания

Оснащение урока:

  • Дидактические средства (методическое пособие, тексты вопросов, контрольные вопросы, схемы, инструкции по выполнению лабораторной работы);
  • Посуда и реактивы (пробирки, стаканчики, воронки, фильтры, пробки, активированный уголь, раствор иода, раствор индиго, спиртовой раствор фуксина, водный раствор фуксина, нитрат свинца, иодистый калий).

План урока

1.Организационный момент

  • проверка готовности к уроку
  • постановка целей

2.Рефлексия

  • Дисперсная система
  • Дисперсная фаза
  • Дисперсионная среда
  • Классификация дисперсных систем

3.Мотивация
Коллоидные растворы являются высокодисперсными системами и потому обладают громадной суммарной поверхностью частиц дисперсной фазы. В таких системах большое значение имеют поверхностные явления, например адсорбция. Одежда маляра пахнет скипидаром и краской, кондитера – орехом мускатным, шофера – бензином. Причина этого вызвана адсорбцией молекул газов на одежде, ткань которой является дисперсной системой. Адсорбция лежит в основе очистки, осушки, разделения газов и других процессов. Очистка  растительных масел от красящих веществ, так называемый процесс отбеливания масел, осуществляется с помощью бентонитовых глин, выполняющих роль адсорбента.
На основе адсорбции производят очистку и осветление воды, которую в дальнейшем используют для питья и технических нужд. Адсорбция обеспечивает закрепление молекул красителя на тканях. Восприятие человеком запаха и вкуса зависит от адсорбции молекул соответствующих веществ в носовой полости и на языке.

4. Изучение нового материала

  • Инструктаж по проведению и оформлению лабораторной работы, и технике безопасности.
  • Выполнение работы (работа в группах)
  • постановка целей
  • оформление
  • проведение опытов
  • формулировка выводов
  • самостоятельная формулировка определения адсорбции

Критерии для лабораторных опытов:

  • соблюдение техники безопасности
  • качество выполнения опытов
  • результат опытов

Критерии для оформления лабораторной работы:

  • образец

Критерии формулировки выводов и самостоятельной формулировки определения адсорбции:

  • оценивает преподаватель
  • Объяснение явления адсорбции

Схема 1. Адсорбция – Десорбция.
Схема 2. Физическая и химическая адсорбция.

5. Закрепление.

  • работа с конспектом лекций
  • ответы на контрольные вопросы

6. Подведение итогов.

  1. выводы по теме
  2. выставление оценок по оценочному листу (максимальное количество баллов-26;

24-26 баллов –«5»
21-23балла – «4»
18 – 20 баллов – «3»

7. Домашнее задание.
Составить опорный конспект по теме «Адсорбция».

Лабораторная работа №6

Адсорбция

Цель:

  • - провести адсорбцию путём различных веществ и ионов.
  • - выявить влияние природы растворителя на адсорбцию
  • - определить скорость адсорбции солей ионов меди, кобальта и железа (в качестве адсорбента используется окись алюминия)
  • - выявить зависимость адсорбции от концентрации растворенных веществ на примере адсорбции уксусной кислоты углем.

Оборудование и реактивы, штатив с пробирками, технохимические весы, три воронки, шесть колб, три колбы с пробирками, стеклянная трубка длинной около 10 см. и внутренним диаметром 5-6 см., пипетка на 50см., пипетка на 10см., мерная пробирка, бюретка; сероводородная вода, раствор индиго, раствор йода,0,05%-ный раствор азотнокислого свинца, фильтрованная бумага, раствор йодистого калия, водный и спиртовой растворы фуксина одинаковой концентрации,0,5 н. растворы солей Cu2+ , Fe3+ Co2+,окись алюминия, фенолфталеин, 0,1 н. NaOH,тонко измельченный древесный уголь, 0,4, 0,2, и 0,1 н. Растворы СН3СООН.

Опыт 1. Адсорбция углем различных веществ из растворов.
В одну пробирку налейте сероводородную воду, в другую - раствор индиго, в третью – раствор йода. В каждую пробирку всыпьте около 0,2 г. древесного угля, хорошо взболтайте и отфильтруйте. Исследуйте фильтрат в пробирках на запах и цвет.
Объясните наблюдаемые явления.

 Опыт 2. Адсорбция ионов свинца углем.
В две пробирки налейте по 5 мл. 0,05%-ного раствора азотнокислого свинца. В одну пробирку добавьте небольшое количество раствора йодистого калия для доказательства наличия ионов Pb2+ в растворе.
В другую пробирку добавьте около 0,2 г древесного угля и взбалтывайте в течение 5 мин. Отфильтруйте раствор и проверьте присутствие ионов Pb2+ реакцией с йодистым калием.
Напишите ионное уравнение качественной реакции на Pb2+ и объясните наблюдаемое явление.

 Опыт 3. Влияние природы на адсорбцию.
В одну пробирку налейте 5 мл. слабоокрашенного водного раствора фуксина, в другую такое же кол-во, спиртового раствора. В обе пробирки внесите по 0,2 г. Угольного порошка и взбалтывайте 5 мин. Отфильтруйте растворы.
Почему в одном случае адсорбция идет хорошо, а в другом плохо?

 Опыт 4.Хроматографическое разделение солей.
В качестве адсорбента в опыте используется окись алюминия. Для проведения опыта возьмите стеклянную трубку длиной около 10 см с внутренним диаметром 5-6 мм. Закрыв трубку с одного конца пробиркой из фильтрованной бумаги, заполните ее окисью алюминия слоем около 5см. Налейте в небольшую пробирку по 5-6 капель 0,5 н. Растворов солей Cu2+,Fe3+,Со2+ и отпустите в смесь солей трубку, заполненную адсорбентом. При капиллярном поднятии раствора в трубку указанные ионы будут избирательно адсорбироваться на поверхности зерен окиси алюминия и распределяются в виде окрашенных слоев по высоте адсорбента. Зная, в какой цвет окрашены соли ионов меди, кобальта и железа, укажите, в каком порядке эти ионы адсорбируются из раствора.

 Опыт 5:Адсорбция уксусной кислоты углем.
В три чистые, сухие и пронумерованные колбы внесите по 1 г. взвешенного на технохимических весах угольного порошка. Отмерьте пипеткой и внесите в колбы по 50мл. уксусной кислоты следующих концентраций: в первую-0,1 н., во вторую-0,2 н., в третью – 0,4 н.
Закройте колбы пробирками и взболтайте содержимое в течение 20 мин. После этого отфильтруйте растворы в отдельные, пронумерованные колбочки. Количество адсорбированной углем кислоты можно узнать, проанализировав количество уксусной кислоты, оставшейся в фильтрате. Для этого возьмите по 10мл. каждого фильтрата в отдельные колбы, добавьте по капле фенолфталеина и оттитруйте 0,1 н. NaOH до появления бледно-розового окрашивания. Запишите количество 0,1 н. NaOH, израсходованного на титрование в первом, втором и третьем случаях.
Нормальность уксусной кислоты рассчитывайте по формуле:
Ск Vк = Сщ Vщ
где Ск = нормальность кислоты; Vк – объем раствора уксусной кислоты; Сщ – нормальность щелочи; Vщ – объем израсходованного раствора щелочи.
Рассчитайте нормальность раствора уксусной кислоты после адсорбции в первой, второй и третьей колбах. На основании данных расчета можно определить количество адсорбированной уксусной кислоты во всех трех случаях. Количество кислоты, поглощенной 1г. адсорбента (угля) из 50 мл. ее раствора, определяется по формуле:
х=(Со – Ср)50 / 1000 ммоль/г.
Где Со – концентрация уксусной кислоты до адсорбции, Ср – концентрация уксусной кислоты после адсорбции ( равновесная концентрация).
Используя данные опыта, постройте кривую адсорбции, откладывая по оси абсцисс значение Ср, а по оси ординат – количество адсорбированной кислоты на 1 г. адсорбента.
Сделайте вывод о зависимости адсорбции от концентрации растворенных веществ.

Изучение нового материала.

На границе между дисперсной фазой и дисперсионной средой может существовать такое явление, как адсорбция. Адсорбция идет самопроизвольно и обусловлена снижением поверхностного натяжения. Поверхностное явление адсорбции может сопровождаться тепловыми эффектами, связанные с выделением или поглощением тепла. Тепло выделяется при образовании новой поверхности раздела фаз.
Чтобы вы имели представление о данном явлении, приведу в качестве примера две истории: странную болезнь Ньютона и версию отравления Наполеона.
Странная болезнь Ньютона: незадолго до своего пятидесятилетия, в 1692 году, Ньютон тяжело заболел. Причина болезни осталась неизвестной. Недуг продолжался год. Когда непонятная болезнь прошла, он прожил еще 33 года. Впоследствии группа исследователей проанализировала имеющиеся в их распоряжении волосы великого ученого. Оказалась, что средняя концентрация ртути в них в 15 раз превышала норму. Химический анализ волос и то обстоятельство, что до болезни Ньютон 18 лет работал с ртутью, послужили основанием считать болезнь Ньютона результатом ртутного отравления.
Версия отравления Наполеона: подобному анализу подверглись волосы Наполеона, в которых была обнаружена повышенная концентрация мышьяка, достаточная для отравления. Источником мышьяка, по-видимому, служили обои спальни Наполеона в его доме на острове Святой Елены. По случайно сохранившемуся образцу обоев удалось установить, что они содержали большое количество мышьяка (в виде арсенита мышьяка).
В настоящее время объяснение причины болезни Ньютона и возможность отравления Наполеона следует рассматривать как версии. Безусловной в одном случае является повышенная концентрация в волосах ртути, в другом - мышьяка. Возможно, они проникли во внутренние органы человека, а затем в волосы, но скорее это произошло вследствие адсорбции паров ртути и мышьяка из окружающей среды.
Адсорбцией называют концентрирование (сгущение) газообразных или растворенных веществ на поверхности раздела фаз. (запись определения в тетрадь).

Адсорбирующееся вещество является адсорбатом, адсорбирующее вещество -адсорбентом. В приведенном примере пары ртути и соединений мышьяка будут адсорбатом, а волосы -адсорбентом.
В зависимости от агрегатного состояния адсорбата и адсорбента различают адсорбцию на границах твердого тела и газа Т-Г (адсорбция паров на волосах этому соответствует), жидкости и газа Ж-Г (растворенных в воде веществ на границе с газовой средой), твердого тела и жидкости Т-Ж (красящих веществ на бентоните и красителях на ткани).
Ни Ньютон, ни Наполеон не подозревали, что их волосы являлись адсорбентом, и ничего не могли сделать для предотвращения адсорбции.
Адсорбционный процесс идет самопроизвольно и вызван избытком поверхностной энергии (обратите внимание на конспекты лекций и запишите определение в тетрадь). Формула для расчета свободной поверхностной энергии определяется: E=σS, где Е - свободная поверхностная энергия, σ- поверхностное натяжение, S- площадь поверхностного натяжения.
Обратите внимание на схему № 1.
Схема 1. Адсорбция – Десорбция.

Итак, адсорбция происходит самопроизвольно и идет до тех пор, пока не наступит равновесие между прямым и обратным процессами. Адсорбция→← десорбция (обратный процесс адсорбции). Процесс адсорбции обратим. Частицы в адсорбционных слоях не закреплены жестко, они совершают колебательные движения, то приближаясь к поверхности адсорбента, то удаляясь от нее. Некоторые их них могут выходить за пределы действия сил притяжения адсорбента. В таком случае наблюдается обратный процесс - десорбция , т.е. отрыв молекул или ионов адсорбированных веществ от поверхности адсорбента и уход их в окружающее пространство. Адсорбция - очень распространенное явление, широко используется в технике, быту и повседневной жизни, очистка и осушка, разделения газов, очистка растительных масел от красящих веществ, очистка и осветление воды, адсорбция обеспечивает закрепление молекул красителя на тканях.
В зависимости от природы адсорбционных сил различают физическую и химическую адсорбцию (хемосорбция).
Обратите внимание на схему № 2.

Практическое значение адсорбции

При помощи различных твердых адсорбентов производится улавливанье ценных паров и газов, осветление растворов в производстве сахара, глюкозы, многих фармацевтических препаратов, нефтепродуктов.
Адсорбцией извлекают малые количества веществ, растворенных в больших объемах жидкости. Этим способом пользуются, например, в технологии получения редких элементов.
Важную роль адсорбционные процессы играют в гетерогенном катализе, при крашении волокон, при обогащении полезных ископаемых (флотация).
Ионообменная адсорбция нашла широкие применения в пищевой промышленности. Так, например, в производстве вина с помощью ионитов из него удаляют излишнее количество ионов Fe3+,Cu2+,Ca2+, которые вызывают помутнение вин. Таким же методом изменяют солевой состав молока. Коровье молоко характеризуется повышенным содержанием солей, поэтому отличаются от женского характером створаживания, зависящим от соотношения казеина и солей кальция. Удаляя с помощью ионитов определенное количество солей кальция из коровьего молока, можно так изменить соотношение кальция и казеина, что коровье молоко можно будет применять для питания детей раннего возраста. Полученное таким способом молоко называется ионитным. Иониты применяются для очистки воды и пивоваренном производстве и могут найти применение для умягчения воды в общественном питании.
Адсорбция широко используется в кулинарной практике, в частности, для осветления мясных и рыбных бульонов. Процесс осветления бульонов основан на том, что белки икры и яиц (при осветлении рыбных бульонов) или специальной «оттяжки» (при осветлении обычных мясных или мясо - костных бульонов) при нагревании свертываются, образуя пористую массу, которая адсорбирует на своей поверхности взвешенные частицы, придающие бульону мутность. Яичным белком осветляют также мутные фруктово-ягодные сиропы для приготовления желе.

Контрольные вопросы.

  1. Дать определение свободной поверхностной энергии и написать ее уравнение.
  2. За счет чего уменьшается поверхностное натяжение?
  3. Что такое адсорбция и чем она обусловлена?
  4. Что такое абсорбция?
  5. Обратим ли процесс адсорбции? Дайте определение этого процесса.
  6. Практическое значение адсорбции в пищевой промышленности.
  7. Примеры применения адсорбции в кулинарной практике.

Оценочный лист № 1, 2