• Гідрологія і Гідрометрія
• Господарське право
• Економіка будівництва
• Економіка природокористування
• Економічна теорія
• Земельне право
• Історія України
• Кримінально виконавче право
• Медична радіологія
• Методи аналізу
• Міжнародне приватне право
• Міжнародний маркетинг
• Основи екології
• Предмет Політологія
• Соціальне страхування
• Технічні засоби організації дорожнього руху
• Товарознавство продовольчих товарів

ПОВЕРХНЕВІ ЯВИЩА. АДСОРБЦІЯ

Поверхнева енергія рідини на межі з даним середовищем кількісно характеризується питомою поверхневою енергією або поверхневим натягом :

,

(5.1)

де А – робота, що витрачається на утворення 1 м² нової поверхні, або сила (Н/м), що діє на одиницю довжини поверхні () і прагне гранично скоротити поверхню рідини.

Зважаючи на те, що , то поверхневий натяг – це питомий ізобарно-ізотермічний потенціал:, де – приріст площі.

Поверхневий натяг рідини знаходиться в оберненій залежності від температури і тиску пари над нею. З підвищенням температури поверхневий натяг зменшується, тому що середня відстань між молекулами збільшується. В результаті цього послаблюються сили, що діють між молекулами, а це приводить до зниження поверхневого натягу.

Залежність поверхневого натягу від абсолютної температури має вигляд:

,

(5.2)

де – коефіцієнт пропорціональності; – виправлення (6⁰); і – критична температура і температура досліду відповідно; – поверхневий натяг при початковій температурі;– поверхневий натяг при температурі досліду.

З підвищенням температури поверхневий натяг більшості металів також лінійно знижується у відповідності з рівнянням:

.

(5.3)

Поверхневий натяг розчинів пов'язаний з його концентрацією рівнянням Шишковського:

,

(5.4)

де – поверхневий натяг розчинника; – концентрація розчину;і – константи.

Розчинені речовини змінюють поверхневий натяг. Речовини, що значно знижують поверхневий натяг називаються поверхнево-активними.

Зміна поверхневого натягу розчину є наслідком процесу адсорбції. Адсорбція на межі розчин – газ кількісно характеризується надлишком речовини (кмоль/м²) в поверхневому шарі у порівнянні з її концентрацією в об’ємі розчину. Як правило, речовини, що мають менший поверхневий у порівнянні з розчинником, знижують поверхневий натяг на границі фаз, а ті, що мають більший – підвищують.

Зв'язок між адсорбцією і зміною поверхневого натягу встановлюється рівнянням Гіббса для адсорбції:

,

(5.5)

де – концентрація розчину, кмоль/м³; – універсальна газова стала, Дж/(кмоль^.К);– абсолютна температура; – зміна поверхневого натягу з концентрацією при незмінній поверхні, м^2.Н/кмоль.

Для наближених розрахунків можна замінити,

тоді

.

(5.6)

При адсорбції на межі поділу тверде тіло – рідина через неможливість дослідного визначення поверхневого натягу кількість адсорбованої речовини розраховують за зміною концентрації розчину. Залежність кількості речовини, адсорбованої 1 г адсорбенту, від рівноважної концентрації при постійній температурі виражається емпіричним рівнянням Фрейндліха:

,

(5.7)

де – кількість адсорбованої речовини, г; – кількість адсорбенту, г; – концентрація розчину при досягненні рівноваги; і – сталі, що визначаються дослідним шляхом.

Стала залежить від природи адсорбованої речовини і кількості адсорбенту. Її чисельне значення звичайно коливається від часток одиниці до декількох одиниць. Величина більша за одиницю. Вона дуже чутлива до зміни температури, проте мало залежить від природи адсорбату і адсорбенту. Стала для багатьох адсорбентів і адсорбованих речовин коливається в межах від 0,1 до 0,5. Сталі і можна визначити графічно. Логарифмуючи, отримаємо рівняння прямої: .

Визначивши (тобто ) при двох концентраціях і побудувавши графік в логарифмічних координатах, визначають і : = ОА; = .

Рисунок 5.1 – Ізотерма адсорбції в логарифмічних координатах

Якщо на поверхні твердого тіла при постійній температурі адсорбується газ, то залежність між величиною адсорбції і тиском газу виражається рівнянням Ленгмюра:

,

(5.8)

де – адсорбція, тобто кількість газу адсорбованого 1 г адсорбенту або 1 см² його поверхні; – тиск газу в стані рівноваги; і – сталі, що залежать від природи адсорбенту і адсорбованої речовини (– адсорбція насичення).

Рівняння (5.8) називається рівнянням ізотерми адсорбції. Якщо твердим тілом адсорбується речовина, що знаходиться в розчині, то залежність між адсорбцією і концентрацією адсорбованої речовини виражається рівнянням:

,

(5.9)

де - концентрація адсорбованої речовини в розчині в стані рівноваги.

Величина в рівнянні, на відміну від рівняння, характеризує надлишок речовини у поверхні поділу.

Рівняння (5.8) або (5.9) можуть бути перетворені наступним чином:

.

(5.10)

З рівняння видно, що є лінійною функцією тиску. Цим можна скористатись для графічного визначення сталих і , якщо дослідним шляхом отримано декілька значень адсорбції при різних тисках.

Приклад 40. Відомі константи рівняння Шишковського для водного розчину валеріанової кислоти при 273 К: = 14,72^.10^-3, = 10,4. При якій концентрації поверхневий натяг розчину буде становити 52,1^.10^-3 Н/м, якщо поверхневий натяг води при 273 К = 75,49^.10^-3 Н/м?

Розв’язок. Користуючись рівнянням( 5.2) запишемо:

(75,49 – 52,1) ^. 10^-3 = 2,303 ^. 14,72 ^. 10^-3. lg (1 + 10,4С);

; ; С = 0,375 кмоль/м³.

Приклад 41. Знайти поверхневу активність масляної кислоти на межі водного розчину з повітрям при 283 К і концентрації = 0,15 кмоль/м³, використовуючи експериментальні дані залежності поверхневого натягу від концентрації.

.10-3, Н/м	74,01	69,51	64,30	59,85	51,09	44,00
, кмоль/м3	0,00	0,021	0,050	0,104	0,246	0,489

Визначити адсорбцію масляної кислоти на поверхні розчин – повітря.

Розв’язок. Поверхневу активність можна визначити графічним методом. Побудуємо графік залежності від . До отриманої кривої проводимо дотичну в точці заданої концентрації 0,15 кмоль/м³. Поверхнева активність буде дорівнювати тангенсу кута нахилу цієї дотичної до осі абсцис:.

Рисунок 5.2 – Залежність поверхневого натягу від концентрації

Адсорбцію знаходимо за рівнянням Гіббса:

.

Рекомендована література

1. Жуховицкий А. А. Физическая химия: учеб. [для вузов] /А. А. Жуховицкий, Л.А. Шварцман. – М.: Металлургия, 1987. - 688 с.

2. Лебідь В.І. Фізична хімія [підручник для вищих учбових закладів] /В.І. Лебідь – Харків «Фаліо», 2005. – 478 с.

3. Стромберг А.Г. Физическая химия: учеб. [для вузов] /А.Г. Стромберг, Д.П. Семченко. – М.: Высшая школа, 1988. – 496 с.

4. Мчедлов – Петросян М.О. Основи колоїдної хімії: фізико – хімія поверхневих явищ і дисперсних систем: підручник / М.О. Мчедлов – Петросян, В.І. Лебідь, О. М. Глазкова та ін. – Х.: ХНУ ім.. В.Н. Карабіна, 2004. – 300 с.

5. Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии / С.С. Воюцкий. – М.: Химия, 1975. – 512 с.

6. Кабачный В.И. Руководство к лабораторным работам по физической и коллоидной химии [учебное издание] / Кабачный В.И., Колесник В.П., Грицан Л.Д. и др. – Х.: НФАУ, 2001. – 192 с.

7. Фізична хімія (Частина I): Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт для студентів інженерно-фізичного факультету. - Київ: Вид-тво КПІ, 2009. - 38 с.

8. Фізична хімія (Частина II): Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт для студентів інженерно-фізичного факультету. - Київ: Вид-тво КПІ, 2009. - 47 с.

9. Методические указания по курсу физической химии для студентов инженерно-физического факультета дневной и вечерней форм обучения. - Киев: Изд-во КПИ, 1986. - 54 с.

10. Равдель А.А. Краткий справочник физико-химических величин / А. А. Равдель, А.М. Пономарева. – Л.: Химия, 1983, 1991 – 232 с.

Читайте також:

1. Адсорбція
2. Адсорбція
3. Адсорбція електролітів
4. Адсорбція електролітів
5. Адсорбція на межі розчин – газ.
6. Адсорбція на межі тверде тіло – розчин.
7. Адсорбція тверде тіло –газ.
8. Антропогенний вплив на поверхневі та підземні води
9. Водні ресурси світу. Світовий океан, поверхневі та підземні води - реферат українською
10. Геологічні небезпечні явища.
11. Геологічно небезпечні явища.
12. До фізико-хімічних методів очищення стічних вод нале­жать: коагуляція, сорбція (абсорбція, адсорбція), мембранні методи, іонний, обмінні, електроліз, екстракція.

Переглядів: 2283