Методичні вказівки icon

Методичні вказівки




НазваМетодичні вказівки
Сторінка1/4
Дата22.06.2012
Розмір0.57 Mb.
ТипПрактикум
  1   2   3   4

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНА МЕТАЛУРГІЙНА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ





МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

до виконання лабораторного практикуму

з дисципліни "Поверхневі явища і

дисперсні системи" для студентів напряму

6.051301 – хімічна технологія


Дніпропетровськ НМетАУ 2011

ЗМІСТ


ВСТУП . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4


1. Лабораторна робота №1

Вивчення адсорбції органічної кислоти активованим вугіллям . . . . . . . . . . . 6


2. Лабораторна робота №2

Визначення поверхневого натягу методом Ребіндера . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10


3. Лабораторна робота №3

Методи отримання і очищення колоїдних розчинів . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17


4. Лабораторна робота №4

Седиментаційний аналіз суспензій об’ємним методом . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

5. Лабораторна робота №5

Седиментаційний аналіз суспензій ваговим методом . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

6. Лабораторна робота №6

Електричні властивості колоїдних розчинів. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33


7. Лабораторна робота №7

Вивчення коагуляції колоїдних розчинів . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37


ЛІТЕРАТУРА . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43


ПЕРЕДМОВА


Поверхневі явища, закономірності, яким вони підкоряються, властивості дисперсних систем, а також процеси, що в них відбуваються, вивчає колоїдна хімія. При цьому вона використовує як методи фізичної хімії, так і власні колоїдно-хімічні методи дослідження високодисперсних гетерогенних систем.

Завдяки високій дисперсності фізико – хімічні властивості колоїдних систем значно відрізняються від властивостей істинних розчинів та інших гетерогенних систем. Дисперсні системи мають велике значення для металургії, виробництва вогнетривів, керамічних виробів, цементів, скла та інших матеріалів. Знання властивостей дисперсних систем, характеру їх змін необхідне для наукового управління процесами збагачення руд, вугілля. Перебіг будь-яких гетерогенних процесів завжди супроводжується протіканням різних поверхневих явищ.

Колоїдні системи спеціально створюють, використовують або вони виникають як побічні продукти технологічних процесів в усіх галузях металургійного виробництва. Руйнування колоїдних систем має велике значення при очищенні технологічної води та газів, що утворюються у процесі плавлення чорних та кольорових металів. Для грамотного управління технологічними процесами інженер-металург повинен знати закони, яким підкоряються дисперсні системи та тісно повязані з ними поверхневі явища, що протікають на межі поділу фаз, уміти кількісно охарактеризувати та описати властивості цих систем.

Призначення даних методичних вказівок полягає в тому, щоб допомогти студентам не тільки добре засвоїти основні закони поверхневих явищ, дисперсних систем, вивчити будову і методи отримання колоїдних розчинів, їх оптичні, молекулярно – кінетичні і електричні властивості, але й познайомитись з експериментальними методами колоїдної хімії.

Кожен студент виконує лабораторну роботу самостійно, оформлює звіт, а потім захищає його у викладача. Звіт з лабораторної роботи повинен містити в собі: назву, мету роботи, теоретичні відомості і основні розрахункові формули, опис методики виконання роботи, схему приладу або обладнання, таблиці з експериментальними даними, результати розрахунків, необхідні графіки, висновки або пояснення отриманих результатів.

Графіки повинні бути побудовані на міліметровому папері. На координатних осях проставляють масштаб, позначення величини, що відкладається, та її одиниці виміру. Координати експериментальних точок на осях не позначаються.

Масштаб обирають таким чином, щоб крива (пряма) займала майже всю площину малюнка. Для цього шкали осей ординат і абсцис починають і закінчують значеннями, близькими до округлених координат крайніх експериментальних точок.

Експериментальні дані наносять на графік у вигляді точок або кружків. При розкиданні точок внаслідок похибок вимірювання проводять плавну криву якомога ближче до всіх нанесених точок. Криву проводять так, щоб точки було видно на графіку. Якщо з теорії випливає, що залежність лінійна, по точках проводять середню пряму. Графічна залежність повинна мати назву.

Правильно оформлена і захищена лабораторна робота зараховується викладачем.


^ ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 1

ВИВЧЕННЯ АДСОРБЦІЇ ОРГАНІЧНОЇ КИСЛОТИ АКТИВОВАНИМ ВУГІЛЛЯМ

Мета роботи. Вивчити адсорбцію з водних розчинів на активованому вугіллі, побудувати ізотерму адсорбції, обчислити сталі рівняння Ленгмюра.

Основні теоретичні положення. Адсорбція – самочинний процес зміни концентрації одного з компонентів гетерогенної системи на поверхні поділу фаз.

Сполука, на поверхні якої відбувається адсорбція, називається адсорбентом. Сполука, яка адсорбується, називається адсорбтивом або адсорбатом.

Адсорбція виражається у моль/см2 (г/г, моль/г). Величина адсорбції залежить від хімічної природи адсорбента і адсорбату, концентрації адсорбату, температури тощо.

В залежності від природи адсорбційних сил розрізняють фізичну і хімічну адсорбції.

Фізична адсорбція обумовлена міжмолекулярними силами Ван-дер-Ваальса. Ці сили слабкі, але далекодіючі. Фізична адсорбція характеризується полімолекулярним адсорбційним шаром, різною щільністю адсорбційного шару по товщині, малою теплотою адсорбції, великою оборотністю процесу. Молекули адсорбтиву зберігають поступовий рух. Величина адсорбції мало залежить від природи адсорбента і адсорбтиву.

Хімічна адсорбція обумовлена ненасиченими валентними силами поверхневих атомів адсорбента. Ці сили напівхімічні, міцні, але короткодіючі. Адсорбція відбувається на активних центрах. Кожен активний центр, який уже адсорбував одну молекулу, стає не здатним до подальшої адсорбції. В результаті на поверхні адсорбента утворюється мономолекулярний адсорбційний шар. Атоми або молекули адсорбтиву зберігають коливальний рух. Хімічна адсорбція характеризується великою теплотою адсорбції, близькою до теплових ефектів хімічних реакцій.

Адсорбцію на межі поділу тверде тіло (активоване вугілля) – розчин кислоти вивчають за зміною концентрації оцтової кислоти в процесі адсорбції. Залежність молекулярної рівноважної адсорбції від концентрації адсорбату характеризується ізотермою адсорбції і для достатньо розведених розчинів описується рівнянням Ленгмюра

,

де Г – адсорбція (кількість молів кислоти, адсорбованих одним грамом активованого вугілля), моль/см2, моль/г; - гранична адсорбція (кількість молів кислоти, що покриває один грам поверхні адсорбента щільним мономолекулярним шаром), моль/см2, моль/г; С – рівноважна концентрація адсорбату у розчині, моль/дм3; К – константа адсорбційної рівноваги (стала рівняння Ленгмюра), дм3/моль.

Гранична адсорбція і константа адсорбційної рівноваги залежать від природи системи і не залежать від концентрації (тиску) адсорбтиву і температури.

Рівняння Ленгмюра може бути приведено до лінійної форми

.

Використавши останнє, можна визначити графічно і К.

На величину адсорбції сильно впливає питома поверхня твердого адсорбента.

,

де Sпит. – це поверхня 1г адсорбента, м2/г; S – сумарна поверхня даної маси адсорбента, м2; m – маса адсорбента, г.

Питома поверхня ефективного адсорбента становить 400 – 1000 м2/г.

Фізична адсорбція – процес екзотермічний і відповідно до рівняння ізобари – ізохори повинна зменшуватись при підвищенні температури. Вона протікає здебільшого при низьких температурах. Значне збільшення температури підвищує кінетичну енергію адсорбованих молекул, що сприяє зростанню можливості їх відриву від поверхні адсорбента. Завдяки цьому фізична адсорбція зменшується. При високих температурах зростає вірогідність протікання хімічної адсорбції, яка з ростом температури збільшується.

Лабораторне устаткування та реактиви. Терези, колби ємкістю 200см3 і 100см3, мірний циліндр ємкістю 50см3, бюретки ємкістю 50см3, мірні піпетки ємкістю 10см3, паперові фільтри, розчини оцтової кислоти різної концентрації, розчин гідроксиду натрію, розчин фенолфталеїну.

Порядок виконання роботи. У ряд колб (4 – 8) насипати попередньо зважене на терезах активоване вугілля (1 – 2г) і додати у кожну колбу по 50см3 розчину оцтової кислоти різних концентрацій. Колби щільно закрити та струшувати через 5 – 6 хвилин протягом 45 – 60 хвилин для встановлення рівноваги між адсорбційним шаром та об’ємом розчину. Початкову концентрацію розчину кислоти встановити триразовим титруванням 10см3 розчину кислоти розчином відомої концентрації у присутності фенолфталеїну. Після встановлення адсорбційної рівноваги в колбах, вугілля відокремити від розчину фільтруванням, а концентрацію розчинів кислоти після адсорбції визначити вказаним вище способом. Результати титрування занести в табл.1.1.

Таблиця 1.1

Експериментальні дані титрування



р-ну кислоти

Об’єм , витрачений на титрування 10см3 кислоти, см3

до адсорбції

після адсорбції

V1

V2

V3

Vсер.

V1

V2

V3

Vсер.

1



















































8



























Обробка експериментальних даних

1. За даними таблиці 1.1 визначити початкову концентрацію (Со) розчинів оцтової кислоти та концентрацію їх після встановлення адсорбційної рівноваги (С) за рівнянням

.

2. Визначити адсорбцію кислоти для всіх її концентрацій за рівнянням

,

де Г – адсорбція кислоти, моль/г; V – об’єм розчину кислоти, з якого відбувається адсорбція (50 см3); m – наважка активованого вугілля, г.

3. Обчислити величини 1/Г і 1/С. Одержані дані занести в табл.1.2.

Таблиця 1.2

Розрахункові дані

№ розчину кислоти


Со


С


Со


Г


1/Г


1/С

1







































8




















4. Побудувати графік ізотерми адсорбції в координатах (рис.1.1) та графік у координатах (рис.1.2).



Рис. 1.1. Ізотерма адсорбції Рис. 1.2. Залежність (1/Г) від

кислоти розведення кислоти (1/С)


З останнього графіка визначити граничну адсорбцію (Г?) та сталу адсорбційної рівноваги (К) в рівнянні Ленгмюра, скористувавшись наступними рівняннями

, звідси ;

, звідси ; .

Контрольні питання

1. Наведіть визначення адсорбції.

2. Що називається адсорбентом?

3. Наведіть визначення адсорбтиву.

4. Які сили визивають фізичну адсорбцію?

5. Які сили визивають хімічну адсорбцію?

6. Наведіть чинники, що впливають на величину адсорбції.

7. Наведіть визначення граничної адсорбції та проаналізуйте вплив чинників

на її величину.

8. Наведіть і проаналізуйте рівняння Ленгмюра.

9. Наведіть рівняння Ленгмюра в лінійній формі.

10. Поясніть, як за графіком можна визначити граничну

адсорбцію та сталу адсорбційної рівноваги в рівнянні Ленгмюра.

11. Як впливає температура на фізичну адсорбцію?.

12. Як впливає температура на хімічну адсорбцію?

13. Визначте величину адсорбції азоту на цеоліті при рівноважному тиску 120 Па, якщо гранична адсорбція дорівнює кг/кг, а константа адсорбційної рівноваги 0,2 Па-1.

14. При тисках 6650; 13300; 26000Па адсорбція етану на цеоліті при 298К

відповідно дорівнює 0,0020; 0,00237 і 0,00253 кмоль/кг. Використовуючи графічний метод, визначте граничну адсорбцію та константу адсорбційної

рівноваги в рівнянні Ленгмюра.

15. 25см3 0,3н. розчину оцтової кислоти змішали з 2г активованого вугілля. Після досягнення адсорбційної рівноваги на титрування 5см3 розчину кислоти пішло 10см3 0,05н. розчину NaOH. Визначте величину адсорбції оцтової кислоти на поверхні 1г вугілля.


^ ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 2

ВИЗНАЧЕННЯ ПОВЕРХНЕВОГО НАТЯГУ МЕТОДОМ РЕБІНДЕРА


Мета роботи. Познайомити студентів з теоретичними положеннями поверхневого натягу рідини та адсорбції на межі поділу газ – рідина. Навчити самостійно визначати поверхневий натяг рідини методом Ребіндера. Побудувати ізотерму поверхневого натягу за методом Ребіндера, ізотерму адсорбції, використовуючи рівняння Гіббса. Визначити величину адсорбції, площу, яку займає одна молекула речовини в адсорбційному шарі, та товщину цього шару.

Основні теоретичні положення. Будь-яка поверхня поділу фаз має надлишкову поверхневу енергію, мірою якої для системи газ – рідина є величина поверхневого натягу.

Поверхневий натяг рідини – це робота, яка витрачена на зміну одиниці поверхні поділу фаз. Він є наслідком існування внутрішнього тиску – сили, що втягує молекулу у середину рідини і яка спрямована перпендикулярно поверхні.

Поверхневий натяг розчину залежить від природи і концентрації розчиненої речовини.

Зв'язок між адсорбцією (Г), концентрацією речовини (С) у розчині і поверхневим натягом (?) цього розчину на межі поділу газ – розчин при сталій температурі надає рівняння Гіббса.

,

де - поверхнева активність, Дж·м/кмоль.

З рівняння Гіббса видно, що якщо поверхневий натяг рідини збільшується при підвищенні концентрації, то >0, а Г<0. Тобто концентрація речовини у поверхневому шарі буде менша, ніж в об’ємі рідини. В системі відбувається негативна адсорбція. Навпаки, якщо поверхневий натяг рідини зменшується при збільшенні концентрації, то , а Г>0. За цих умов концентрація речовини в поверхневому шарі буде більша, ніж в об’ємі розчину, тобто відбувається позитивна адсорбція. Якщо ж поверхневий натяг рідини не залежить від концентрації речовини, то в системі адсорбція не відбувається.

При введенні у розчин деяких речовин поверхневий натяг розчину змінюється. Речовини, що знижують поверхневий натяг розчинника, називають поверхнево – активними речовинами (ПАР). Вони характеризуються малою розчинністю. Поверхневий натяг поверхнево – активних речовин менший за поверхневий натяг розчинника. Внаслідок цього взаємодія між молекулами ПАР і розчинника завжди менша за взаємодію між молекулами розчинника. Через це молекули поверхнево – активних речовин будуть виштовхуватись з об’єму розчину на його поверхню. В результаті накопичення на поверхні розчинника слабко взаємодіючих між собою молекул поверхнево – активних речовин у поверхневому шарі зменшується міжмолекулярна взаємодія і поверхневий натяг рідини також зменшується.

Залежність величини адсорбції від концентрації розчину виражає також рівняння Ленгмюра

,

де - гранична адсорбція, що показує кількість молів речовини, адсорбованої одиницею поверхні адсорбента, яка відповідає повному заповненню всіх активних центрів, кмоль/м2 (кмоль/г); С – рівноважна концентрація адсорбтиву, кмоль/дм3; К – константа адсорбційної рівноваги, м3/кмоль.

Гранична адсорбція і константа адсорбційної рівноваги залежить від природи адсорбента і адсорбтиву і не залежить від концентрації адсорбтиву і температури.

Математичною обробкою рівняння Ленгмюра можна перетворити у форму

,

що є рівнянням прямої у координатах . Останнє дозволяє визначити граничну адсорбцію () і константу адсорбційної рівноваги (К).

Поверхневий натяг на межі поділу газ – рідина можна визначити за методом Ребіндера. Принцип метода полягає в тому, що якщо через капіляр, занурений в рідину, продавлювати бульбашки повітря, то тиск, при якому проскакує бульбашка, буде пропорційним поверхневому натягу

,

де ? – поверхневий натяг рідини; r – радіус капіляра; А – коефіцієнт пропорційності.

Для двох рідин з різним поверхневим натягом ? і ?о при використанні одного й того ж капіляра справедливе рівняння

.

Якщо поверхневий натяг однієї рідини відомий (наприклад, ?о), то, визначивши дослідним шляхом Р і Ро, можна розрахувати поверхневий натяг розчину, що аналізується, за рівнянням

.


Лабораторне обладнання та реактиви. Прилад для визначення поверхневого натягу за методом Ребіндера; розчини з різною концентрацією ПАР.


Порядок виконання роботи. Приготувати прилад до роботи рис.2.1. Для цього ретельно промити посудину Ребіндера (2) і капіляр (3) дистильованою водою. В посудину (2) налити дистильовану воду і вставити пробку з капіляром так, щоб кінчик капіляра тільки торкався поверхні води. У зовнішню склянку (1), яка виконує роль термостата, налити воду кімнатної температури. Посудину (2) з’єднати з манометром (5) і аспіратором (6), який наповнений водопровідною водою. Обережно відкрити кран (7) так, щоб вода по краплям скапувала з аспіратора. В посудині (2) поступово створюється розрядження і через капіляр починають проскакувати бульбашки повітря. За допомогою манометра визначити тиск Ро, при якому від капіляра відривається бульбашка повітря. Дослід повторити 3 рази. Вилити воду з посудини (2), ретельно промити її і капіляр розчином з найменшою концентрацією розчиненої речовини. Заповнити посудину (2) цим розчином і повторити операції, які виконувались з дистильованою водою. Ті ж самі операції повторити з усіма розчинами, визначаючи тиск, при якому бульбашка повітря відривається від капіляра. Посудину (2) треба перед кожним виміром промивати розчином, який аналізується.



Рис.2.1. Схема приладу для визначення поверхневого натягу:

1 – термостат; 2 – посудина Ребіндера; 3 – капіляр; 4 – з’єднуюча

трубка; 5 – манометр; 6 – аспіратор; 7 – кран; 8 – склянка для зливу

води


Обробка експериментальних даних

1. Розрахувати поверхневий натяг розчинів з різною концентрацією адсорбтиву за рівнянням

.

Значення поверхневого натягу води ?о взяти з таблиці 2.1, врахувавши температуру в лабораторії.

Таблиця 2.1

Поверхневий натяг води при різних температурах

Т,К

289

290

291

292

293

294

295

296

297

298



Дж/м2


73,3


73,2


73,0


72,9


72,8


72,6


72,4


72,3


72,1


72,0
  1   2   3   4

Схожі:

Методичні вказівки iconМетодичні вказівки до проведення семінарських та практичних занять з курсу «Методика викладання у вищій школі» для студентів спеціальності 050201 «Менеджмент організацій» окп «Магістр»
Методичні вказівки до виконання дипломної роботи спеціаліста: підготовка, написання, захист. Методичні вказівки / Упор. Ґудзь П....
Методичні вказівки iconМетодичні вказівки до самостійного вивчення матеріалу, індивідуальні завдання та методичні вказівки до їх виконання
Робоча програма, методичні вказівки та індивідуальні завдання до вивчення дисципліни ²Міжнародний маркетинг² для студентів напряму...
Методичні вказівки iconМетодичні вказівки до самостійного вивчення матеріалу, індивідуальні завдання та методичні вказівки до їх виконання
Робоча програма, методичні вказівки та індивідуальні завдання до вивчення дисципліни «Менеджмент в енергетиці» для студентів спеціальності...
Методичні вказівки iconМетодичні вказівки до самостійного вивчення матеріалу, індивідуальні завдання та методичні вказівки до їх виконання
Робоча програма, методичні вказівки та індивідуальні завдання до вивчення дисципліни ²Менеджмент персоналу² для студентів спеціальності...
Методичні вказівки iconМетодичні вказівки до їх вивчення, контрольні питання для самоперевірки, що наведені після кожної теми дисципліни, методичні вказівки до виконання контрольної роботи
Робоча програма, методичні вказівки та індивідуальні завдання до вивчення дисципліни "Економіка енергетики" для студентів напряму...
Методичні вказівки iconМетодичні вказівки до їх вивчення, контрольні питання для самоперевірки, що наведені після кожної теми дисципліни, методичні вказівки до виконання контрольної роботи
Робоча програма, методичні вказівки та індивідуальні завдання до вивчення дисципліни "Економіка та фінанси підприємства" для студентів...
Методичні вказівки iconМетодичні вказівки до вивчення тем, перелік розділів, що виносяться на самостійне опрацювання студентів, варіанти індивідуальних завдань, перелік літератури. Методичні вказівки укладені з урахуванням вимог державного освітнього стандарту
Робоча програма, методичні вказівки та індивідуальні завдання до вивчення дисципліни “Страховий менеджмент” для студентів спеціальності...
Методичні вказівки iconМетодичні вказівки до самостійного вивчення тем, передбачених програмою дисципліни «Mенеджмент», завдання до контрольної роботи та методичні вказівки до її виконання
Робоча програма, методичні вказівки та індивідуальні завдання до вивчення дисципліни «Mенеджмент» для студентів напрямів 050502 –...
Методичні вказівки icon2765 Методичні вказівки
Методичні вказівки до практичних та самостійних занять з курсу «Методи синтезу та оптимізації» для студентів
Методичні вказівки iconМетодичні вказівки
С. С. Душкін, Т. О. Шевченко методичні вказівки для проведення практичних занять, лабораторних робіт
Методичні вказівки iconФінанси І кредит методичні вказівки
Методичні вказівки по проведенню практичних занять з дисципліни «Банківські операції»
Додайте кнопку на своєму сайті:
Документи


База даних захищена авторським правом ©zavantag.com 2000-2013
При копіюванні матеріалу обов'язкове зазначення активного посилання відкритою для індексації.
звернутися до адміністрації
Документи