План занятия
Тема занятия: Адсорбция.
Цели занятия:
дидактическая
– дать обучающимся представления о адсорбции и поверхностных явлениях; показать многообразие видов адсорбции; изучить законы, описывающие адсорбцию;
– познакомить обучающихся с адсорбентами;
– показать практическое значение адсорбции в различных отраслях промышленности, в природе и повседневной жизни;
– обеспечить усвоение знаний обучающихся на 1 уровне.
развивающая
– развитие познавательных способностей обучающихся; умения анализировать, сравнивать и обобщать известные факты.
воспитательная
– способствовать дальнейшему воспитанию экологического сознания, развитию патриотического воспитания, знакомя студентов с достижениями русских ученых в исследовании поверхностных явлений и адсорбции.
Задачи занятия:
– дать понятие адсорбции и поверхностных явлениях;
– показать уравнения, описывающие указанные процессы;
– рассмотреть применение адсорбции в повседневной жизни и промышленности;
– показать возможности адсорбции для противодействия загрязнению окружающей среды и пределы этих возможностей.
Тип занятия: изучение нового материала.
Метод проведения: объяснение с элементами беседы, с использованием технических средств, опытов и натуральных образцов.
Наглядные пособия и технические средства обучения:
- Дидактический раздаточный материал.
- Компьютер: слайд-фильм с использованием программы-презентации Power Point;
- Пробирки, воронки, фильтры, растворы йода, крахмала, метиленового синего, метилвиолета, спиртовки, уголь активированный.
Содержание и ход занятия
1. Организация группы.
Проверяет состояние кабинета, отмечает отсутствующих.
2. Мотивация учебной деятельности. Педагог сообщает тему, цели занятия, порядок его проведения.
3. Актуализация опорных знаний.
Педагог задает вопрос: Почему капля воды имеет форму, близкую к форме шара? Что такое поверхностное натяжение?
Ответ: Молекулы поверхностного слоя жидкости на границе с газом обладают запасом потенциальной энергии, то есть поверхностной энергии. С увеличением поверхности возрастает и общая поверхностная энергия. Любая гетерогенная система имеет поверхностную энергию
F = 
S
где F —общая энергия поверхности; S —
площадь поверхности; — удельная (приходящаяся на 1 м2)
поверхностная энергия — поверхностное
натяжение.
Энергия системы стремится к уменьшению. В гетерогенных системах возможным путем уменьшения поверхностной энергии является сокращение поверхности, и поэтому капля жидкости имеет форму шара (шар имеет минимальную поверхность).
4. Изучение нового материала.
4.1. Адсорбция, её сущность.
4.2. Адсорбция на границе твердое тело–газ.
4.3. Адсорбция на границе твердое тело–раствор.
4.4. Обменная адсорбция.
4.5. Адсорбция из многокомпонентных растворов. Хроматография.
4.6. Адсорбция на границе раствор-газ.
4.7. Адсорбция на границе раздела двух несмешивающихся жидкостей.
4.1. Адсорбция, её сущность.
Поверхность твердых тел самопроизвольно уменьшаться не может, она постоянна. Тогда уменьшение поверхностной энергии происходит при снижении поверхностного натяжения, что происходит при поглощении молекул газа или растворенного вещества поверхностью твердого тела. Поглощение каким-либо веществом других веществ называется сорбцией. Если этот процесс идет только на поверхности, то его называют адсорбцией. Адсорбция — это увеличение концентрации вещества на границе раздела фаз. Если поглощаемое вещество диффундирует вглубь поглотителя и распределяется по объему, то это явление называется абсорбцией. Примером абсорбции может служить поглощение водорода платиной и палладием. При обычной температуре 1 об. ч. палладия может растворить более 700 об. ч. водорода. При нагревании палладия в вакууме водород выделяется. Абсорбцией является также поглощение паров воды серной кислотой.
То вещество (обычно твердое), на поверхности которого идет адсорбция, принято называть адсорбентом, а вещество, которое адсорбируется, — адсорбтивом. Адсорбцию Г обычно выражают количеством адсорбтива х, приходящимся на единицу площади поверхности адсорбента S (моль/м2):
F = x/S
Если адсорбентом является твердое пористое тело, общую поверхность которого определить невозможно, то адсорбцию а относят к единице массы адсорбента m: a = x/m
Вопрос педагога: На границе каких поверхностей может происходить адсорбция?
Ответ: Адсорбция может идти на поверхности раздела фаз: газ — твердое тело, раствор — твердое тело, газ — раствор, жидкость — раствор.
4.2. Адсорбция на границе твердое тело–газ.
Рассмотрим адсорбцию на границе твердое тело-газ. Адсорбция газов и паров твердыми адсорбентами была известна давно. Еще в XVIII в, открыта способность свежепрокаленного древесного угля поглощать газы, а в период первой мировой войны был создан противогаз благодаря работам русского химика Н.Д.Зелинского.
Адсорбция газа на твердом адсорбенте идет самопроизвольно. Одновременно с адсорбцией протекает противоположный процесс — десорбция — переход адсорбированных молекул в газовую фазу. При равенстве их скоростей наступает равновесие: адсорбция - десорбция. С повышением температуры адсорбция уменьшается, а понижение температуры, наоборот, увеличивает адсорбцию. Поэтому адсорбционное равновесие всегда рассматривают при постоянной температуре.
Обучающиеся проводят опыт: В пробирку налить 2-3 мл крахмального раствора и добавить немного иодной воды. Жидкость окрашивается в синий цвет из-за образования адсорбционного соединения иода с крахмалом. Содержимое пробирки нагреть до исчезновения окраски, а затем охладить. Что наблюдается? Как зависит адсорбция и десорбция от температуры? Графическая зависимость адсорбции от равновесного давления при условии постоянства температуры называется изотермой адсорбции.
На рис. 1 показаны две изотермы адсорбции, отвечающие температурам Т1 и Т2, причем Т 1<Т2. Изотерма обычно состоит из трех участков. При малых давлениях изотерма прямолинейна, т. е. адсорбция возрастает пропорционально равновесному давлению. При достаточно больших давлениях изотерма имеет вид горизонтальной прямой, т. е. с увеличением давления адсорбция не изменяется. Это предел адсорбции, отвечающий полному насыщению поверхности адсорбента молекулами адсорбтива. Средний участок изотермы соответствует какому-то неполному насыщению поверхности. Изотерма для более высокой температуры Т2 лежит ниже изотермы для температуры Т1, но по характеру они одинаковы. Предел адсорбции не зависит от температуры и при более высокой температуре он наступает при более высоком равновесном давлении. На рис. 2 показана изотерма адсорбции в логарифмических координатах.
По форме изотерма адсорбции напоминает параболу и поэтому для ее аналитического выражения Фрейндлихом была предложена эмпирическая формула (уравнение Фрейндлиха):
x/m = Kp1/n
где х — количество адсорбированного газа; m — масса адсорбента; р — равновесное давление газа; К и 1/n — постоянные.
Формула Фрейндлиха применима для сравнительно небольшого интервала средних значений давления, для того интервала, где изотерма адсорбции имеет криволинейный характер. В широком интервале давлений изотерму адсорбции описывает уравнение Ленгмюра:
4.3. Адсорбция на границе твердое тело–раствор
А сейчас рассмотрим адсорбцию на границе твердое тело–раствор. Русский ученый Т.Е. Ловиц впервые предложил применять уголь для очистки спирта от сивушных масел и для удаления из воды неприятно пахнущих веществ (дезодорация воды).
Адсорбция из растворов на твердом адсорбенте — процесс более сложный, чем адсорбция газов, необходимо учитывать взаимодействие растворитель — адсорбент и растворитель — растворенное вещество.
В качестве адсорбентов наиболее часто применяют древесный или костный уголь, силикагель, глины, пористые стекла. Обычный древесный уголь имеет невысокую адсорбционную способность, так как поры его заполнены смолами и продуктами неполного сгорания, образующимися при его получении. Для повышения адсорбционной способности угля его активируют, нагревая в атмосфере водяного пара и тем самым освобождая поры его от ненужных веществ. Удельная поверхность активного угля, т. е. суммарная поверхность всех пор 1 кг угля, может достигать больших значений.
Другим широко применяемым адсорбентом является силикагель – диоксид кремния. Силикагель выпускается в виде пористых крупинок. Новым типом адсорбентов являются пористые стекла, получаемые при удалении из стекол щелочных и щелочноземельных компонентов. Широко используются как адсорбенты предварительно активированные кислотой глины — бентониты, осадочные горные породы — диатомит (кизельгур), трепел. Их применяют для очистки сиропов, соков, масел, нефтепродуктов.
Педагог демонстрирует образцы адсорбентов.
Все адсорбенты можно разбить на два основных типа: гидрофильные, которые хорошо смачиваются водой, и гидрофобные, которые водой не смачиваются, но смачиваются неполярными органическими жидкостями. К гидрофильным адсорбентам относятся силикагель, глины, пористое стекло. Их не следует применять при адсорбции растворенных веществ из водных растворов, так как они могут адсорбировать растворитель — воду. Эти адсорбенты целесообразнее использовать при адсорбции из неводных растворов. Гидрофобные адсорбенты — активный уголь, графит, тальк — хорошо адсорбируют из водных растворов, так как сами они водой не смачиваются. Большое значение для адсорбции имеет пористость адсорбента.
Обучающиеся проводят опыты. Опыт 1. Адсорбция углем и силикагелем раствора фуксина.
В 2 пробирки приливают по 5 мл раствора фуксина, в одну пробирку вносят 0,5г истолченного активированного угля, а во вторую 0,5 г силикагеля, взбалтывают в течение 4-5мин и фильтруют. Отмечают окраску растворов, отвечают на вопросы: Почему используется истолченный уголь? Какой адсорбент: уголь или силикагель можно использовать для очистки воды?
Опыт 2. Влияние растворителя на адсорбцию. Разбавленный раствор метилвиолета хорошо взболтать с порошком угля и отфильтровать. Когда вся жидкость отфильтруется, на фильтр с углём прилить немного спирта. Какого цвета спиртовый раствор капает из воронки? В каком растворителе лучше растворяется метилвиолет? Из водного или спиртового раствора лучше адсорбируется метилвиолет углем?
Педагог: Очень сложна зависимость адсорбции от строения молекул адсорбтива. Многие молекулы органических веществ (кислот, спиртов, аминов) состоят из двух частей: полярной группы и неполярного углеводородного или ароматического радикала. Например, молекула уксусной кислоты состоит из полярной группы —СООН и неполярного углеводородного радикал —СН3. Такие молекулы называются дифильными. К полярным относятся группы —ОН, —NH2, —SH, —CN, —NO2, —СНО, —SO2OH. Эти группы являются гидрофильными. В отличие от них углеводородные и ароматические радикалы гидрофобны и сольватируются молекулами неполярных растворителей. Схематически дифильные молекулы изображают в виде символа —О, в котором прямой чертой обозначен углеводородный (неполярный) радикал, а кружком — полярная группа.
Дифильные молекулы растворенного вещества при адсорбции на твердом адсорбенте ориентируются на его поверхности так, чтобы полярная часть молекулы была обращена к полярной фазе, а неполярная — к неполярной. Например, при адсорбции органической кислоты из водного раствора на неполярном адсорбенте – угле, молекулы ее будут ориентироваться, как показано на рис. 3. При адсорбции этой же кислоты из ее раствора в бензоле (неполярный растворитель) на полярном адсорбенте — силикагеле ориентация будет другой.
Уголь обычно применяют как адсорбент для водных растворов. Например, в спиртовом производстве из водноспиртовой смеси адсорбцией на угле удаляют сивушные масла. В сахарной и крахмало-паточной промышленности углем обесцвечивают сахарные и глюкозные сиропы. Гидрофильные адсорбенты (силикагель, глины) используют для очистки масел, нефтепродуктов.
4.4. Обменная адсорбция
Для очистки воды используют обменную адсорбцию.
Обменная адсорбция – это процесс обмена ионов между раствором и твердой фазой — адсорбентом. При этом твердая фаза поглощает из раствора ионы одного знака (катионы или анионы) и вместо них выделяет в раствор эквивалентное число других ионов того же знака. Обменная адсорбция имеет большое значение для земледелия, т. к. от природы поглощенных почвой катионов зависит ее плодородие. К обмену ионов способны не только почвы, но и ряд природных и синтетических силикатов.
Были синтезированы ионообменные смолы — катиониты (обменивают катионы ) и аниониты (обменивают анионы)
Наиболее важное применение ионитов — это получение в производственных условиях деминерализованной воды, т. е. воды, не содержащей растворенных солей, включая и соли, определяющие жесткость воды. Для полного обессоливания воды ее последовательно пропускают через катионитовый и анионитовый фильтры.
RH(т) + NaCl (р-р), RNa (т) + НС1 (р-р)
При последующей обработке воды анионитом в ОН-форме поглощаются анионы (хлорид-ионы)
R'OH (т) + НС1 (р-р), R'Cl (т) + Н2O
где RH и R'OH –смола, способная к обмену катионов или анионов соответственно.
Подобные процессы идут при удалении из воды и других солей.
Иониты легко регенерируют обработкой растворами кислот (катионит) или растворами едкого натра или соды (анионит). Иониты используются при очистке заводских сточных вод. В сточных водах многих производств содержатся ионы тяжелых металлов — хрома, меди, свинца и т. п. Все они очень вредны для живых организмов окружающей среды и в то же время очень ценны для народного хозяйства. Их выделяют, пропуская воду через ионит. Ионитная очистка используется в сахарной промышленности для очистки диффузного сока от электролитов — патокообразователей, что позволяет повысить выход сахара и уменьшить количество менее ценной патоки. Широко используются иониты в виноделии. Обработка виноматериалов ионитами позволяет удалить из них катионы металлов, способствующие помутнению вина. Анионитной обработкой можно удалить из фруктовых соков кислоты, имеющие неприятный вкус (например, яблочную) и заменить их другими. В ликеро-водочном, пивоваренном производствах и производстве фруктовых вод проводят ионитную обработку воды.
4.5. Адсорбция из многокомпонентных растворов. Хроматография
Явление адсорбции используется в хроматографии — метода разделения и анализа сложных многокомпонентных смесей. Впервые этот метод был предложен русским ботаником М. С. Цветом для разделения на составные компоненты хлорофилла. Пропуская раствор хлорофилла через стеклянную трубку, заполненную оксидом алюминия, М. С. Цвет обнаружил, что различные компоненты этого сложного вещества адсорбируются на разных уровнях по высоте колонки. В верхней части, очевидно, накапливается компонент, обладающий наибольшей адсорбционной способностью, затем с меньшей. Так как отдельные компоненты хлорофилла окрашены, то эти зоны легко отличить по окраске. Такой окрашенный столбик адсорбента М. С. Цвет' назвал хроматограммой сам метод анализа – хроматографическим. С помощью хроматографического метода можно разделять сложные органические вещества, даже близкие по строению, а также неорганические соединения. Если промывать. хроматографическую колонку (см. рис. 4) чистым растворителем, зоны будут перемешаться вниз. В растворе можно анализировать компоненты, получим адсорбционную хроматограмму, по которой можно рассчитать состав раствора. Хроматография очень широко применяется для разделения витаминов, аминокислот, ферментов, лекарственных и других веществ.
4.6. Адсорбция на границе раствор–газ.
При адсорбции на границе раствор-газ изменяется поверхностное натяжение. Вещества, которые уменьшают поверхностное натяжение растворителя, называются поверхностно-активными веществами (ПАВ). Вещества, увеличивающие поверхностное натяжение или его не изменяющие, называются поверхностно-неактивными или поверхностно-инактивными. Поверхностно-активными веществами относительно воды являются многие органические соединения – жирные кислоты, их соли, спирты, амины. Относительно воды поверхностно-неактивными веществами являются все неорганические электролиты — соли, кислоты, щелочи. Примером вещества, практически не изменяющего поверхностного натяжения воды, является сахароза. Поверхностная активность дифильных молекул ПАВ зависит от длины углеводородного радикала. Согласно правилу (правило Траубе), по которому в гомологическом ряду нормальных жирных кислот поверхностная активность по отношению к воде возрастает приблизительно в 3,2 раза на каждую группу —СН2—.
Молекулы ПАВ на границе системы водный раствор – газ образуют адсорбционный слой, толщиной в одну молекулу, если их концентрация достаточна. (Cм. рис. 7). При дальнейшем увеличении концентрации ПАВ в растворе строение адсорбционного слоя и его поверхностное натяжение не изменяются.
4.7. Адсорбция на границе раздела двух несмешивающихся жидкостей
При введении поверхностно-активного вещества в одну из жидкостей оно адсорбируется на границе раздела фаз и снижает межфазное поверхностное натяжение. Дифильные молекулы ПАВ своей полярной частью ориентированы к полярной жидкости (воде), а неполярной частью — к неполярной жидкости (бензолу, маслу и т. п.). Они могут находиться в одной из жидкостей, или на границе, это зависит от активности полярной и неполярной групп, как показано на рис. 8.
Поверхности веществ могут быть гидрофильными (смачиваться водой) и гидрофобными (не смачиваться водой), что показано на рис. 9.
ПАВ могут улучшить смачиваемость поверхности, они адсорбируются своими полярными частями к воде и поверхность становится гидрофильной, что показано на рис. 10.
Смачивание используют при обогащении руд, углей. К суспензии бедной руды в воде добавляют ПАВ, которое гидрофобизирует поверхность частиц ценной породы. Пустая порода смачивается водой и тонет, а ценная порода при пропускании воздуха всплывает. Этот процесс называют флотацией.
5. Закрепление и систематизация знаний
Педагог задает вопросы:
- Какие вещества называются поверхностно-активными? К чему может привести избыточное содержание ПАВ в водоемах?
- Каким адсорбентом – углем, окисью алюминия или силикагелем можно очистить водные растворы сахара, глюкозы, спирта и почему?
- Какое значение имеет адсорбция для очистки воды Мирового океана, для очистки воды рек?
6. Подведение итогов занятия
Список использованной литературы
- Добровольский, В.В. Основы биогеохимии: Учебник для студ. высш. учеб. заведений/ В.В Добровольский. – М.: Издательский центр Академия, 2003. – 400 с.
- Лукьянов, А.Б. Физическая и коллоидная химия. Учебник для техникумов/ А.Б. Лукьянов. – М.:Химия,1980. – 224 с.
- Коровин, Н.В. Общая химия: Учеб. для технических направ. и спец. вузов/ Н.В.Коровин. – 9-е изд. перераб. – М.: Высш. Шк., 2007. – 557 с.