Лабораторные работы и задачи по коллоидной химии - Фролов Ю. Г.
Скачать (прямая ссылка):
СПАВ> ммоль/л ..... О 1 • Ю-4 1 • Ю-2 1 2 5 10
сгж.г, мДж/м2 ..... 72 71,5 70,1 63,2 56,2 50,9 41,0
6, град........ 106 105 96 72 60 0 0
Сравните полученную изотерму с изотермой смачивания для стекла, не обработанного октадеканом (см. задачу 33). Объясните, как ориентируются молекулы ПАВ в поверхностном слое. Рассчитайте работу адгезии.
35. Рассмотрите возможность растекания водного раствора валериановой кислоты по поверхности ртути, исходя из значений поверхностных и межфазных натяжений: 0р.р_воздух — 25 мДж/м2, сгнг-воздух — = 475 мДж/м2, стнг-р-Р == 329 мДж/м2. Если раствор будет растекаться по поверхности ртути, то как при этом ориентируются полярные группы валериановой кислоты: к воде или к ртути? Объясните почему.
36. Экспериментально получено значение коэффициента растекания гептанола по воде, равное 37 мН/м. Рассчитайте межфазное натяжение на границе вода — гептанол, принимая значения поверхностных натяжений воды и гептанола соответственно 71,96 н 26,1 мН/м.
37. Капля бензола растекается по поверхности воды, а после взаимного насыщения двух жидкостей образует линзу. Объясните это явление. Рассчитайте начальные и конечные значения коэффициентов растекания бензола по воде, используя приведенные ниже значения поверхностных натяжений (в мН/м) для различных поверхностей раздела при 293 К:
Вода — воздух.............72,75
Бензол — воздух.....i.......28,87
Вода — бензол............ . 35,00
Вода, насыщенная бензолом, — воздух . . . 62,20 „ Бензол, насыщенный водой, — воздух . . . 28,80
Оцените значение межфазного натяжения на границе взаимонасыщенных растворов воды и бензола.
38 Постройте изотерму гиббсовской адсорбции, используя значения поверхностных натяжений водных растворов додецилсульфата натрия при 20°С:
спав, ммоль/л..... 2,16 3,96 6,6 8,3 9,3 9,8 10,2 11,2
сгж_г, мДж/м2 ..... 62 54 47 43 42 41 41 41
Определите поверхностную активность этого ПАВ и критическую концентрацию мицеллообразования. Поверхностное натяжение воды 72,75 мДж/м2.
II. АДСОРБЦИОННЫЕ РАВНОВЕСИЯ
Величина адсорбции зависит от природы поверхности адсорбента, природы адсорбата и его концентрации (давления), температуры и др. Графическая зависимость адсорбции от концентрации адсорбируемого вещества в объемной фазе при данной температуре называется изотермой адсорбции.
37
Адсорбция из предельно разбавленных растворов или смесей газов подчиняется закону Генри:
А = Кгс или А = к'гр (И. 1)
где Кг и /Ср — константа Генри; с — концентрация адсорбата в объемной фазе; р— давление пара адсорбата.
Аналитическим выражением изотермы мономолекулярной адсорбции при более высоких концентрациях и на ровной поверхности является уравнение изотермы Ленгмюра:
А=А~-гткс- или а-а-ттгї (ІІ-2)
где Аоо — предельная мономолекулярная адсорбция — емкость монослоя; К и К' — константы адсорбционного равновесия, характеризующие энергию адсорбции.
Для высоких давлений пара изотерма адсорбции описывается общим уравнением обобщенной теории Ленгмюра — уравнением полимолекулярной адсорбции БЭТ (Брунауэра, Эммета и Теллера):
А0ОСр/р5
(1-pIps)V + (C-\)p/ps]
(П. 3)
где С — константа, характеризующая энергию взаимодействия сконденсированного адсорбата с поверхностью адсорбента; ps — давление насыщенного пара адсорбата.
Уравнение Ленгмюра (П. 2) и уравнение БЭТ (П.З) широко используются для определения удельной поверхности адсорбентов, катализаторов и других дисперсных систем. Удельная поверхность Зуд связана с емкостью монослоя Аоо соотношением
где Л/а — число Авогадро; so — площадь, занимаемая одной молекулой адсорбата в насыщенном адсорбционном слое.
Для описания адсорбции на пористых телах с переходными порами (мезопористые адсорбенты) используют уравнение капиллярной конденсации Кельвина (1.11), которое позволяет определить размеры пор. Если тело в основном имеет микропоры, то применяют уравнение теории объемного заполнения микропор:
In 7 = In Vo-^gi- [in {Pslp)]n (П. 5)
где V — объем заполненных пор при данном давлении; Vo — общий объем пор в адсорбенте; р—тийффициент аффинности, характеризующий природу адсорбата; Е — характеристическая энергия адсорбции; п — показатель степени, выражаемый целыми числами от 1 до 6.
Энергетические параметры адсорбции (изменение энтальпии, энтропии, энергии Гиббса) обычно рассчитывают из температурных зависимостей адсорбции. Например, из уравнений Клапейрона — Клаузиуса или Вант-Гоффа можно получить следующую теоретическую изостеру (А = const) :
АН .
In р = -jgjr + const (II. 6)
где АН — изменение энтальпии при адсорбции.
По экспериментально построенной зависимости в координатах уравнения (П. 6) можно определить (по тангенсу угла наклона) дифферен-
38
циальные мольные (изостерические) энтальпии адсорбции при данных степенях заполнения (при данных А).
Стандартная энергия Гиббса А(3° адсорбции связана с равновесной константой адсорбции К соотношением
