5 LBC Учебно издание Колоидна химия Указания за лабораторни упражнения Съставители

Според първото правило (формулирано от K. Fayans, F. Panet и N.P. Peskov), йони, които са част от адсорбента или имат обща атомна група с тази повърхност (или изоморфна с нея), се адсорбират предимно върху твърдата повърхност на адсорбента.

Например върху кристали BaSO4, образувани в реакцията H2SO4 + BaCl2 = BaSO4 + 2 HCl, се адсорбират или SO4 - йони, или Ba2+ йони, но не и H+, Cl-, K+ или NO3- йони, ако присъстват в разтвора. Такава адсорбция може да се разглежда като кристализация, т.е. завършване на кристалната решетка на адсорбента.

Повърхността на адсорбентите, образувани от полярни молекули в електролитни разтвори, има електрически заряд поради дисоциацията на йоногенните групи на адсорбента или поради селективна адсорбция. Микроместа на повърхността на адсорбента, носещи определен заряд, адсорбират противоположно заредени електролитни йони - това е второто правило на Фаянс - Панет - Песков. В този случай електролитните йони с противоположен знак не се адсорбират директно, но под действието на силите на електростатично привличане остават близо до адсорбираните йони, образувайки с тях така наречения двоен електрически слой на повърхността на адсорбента.

Радиусът на йоните силно влияе върху способността им да се адсорбират. Йоните с еднаква валентност се адсорбират толкова по-добре, колкото по-голям е техният ефективен радиус (радиусът в кристалната решетка). Причината за това е, че поляризиращият ефект на един йон е толкова по-голям, колкото по-малък е неговият размер. И това е вна свой ред води до различни степени на йонна хидратация. Йони с голям радиус (със същия заряд) се хидратират в по-малка степен и следователно тяхната хидратна обвивка пречи на адсорбцията в по-малка степен. Хидратиращата обвивка предотвратява адсорбцията на йони, тъй като намалява електрическото взаимодействие. Фигурата (фиг. 13) показва връзката между ефективните радиуси на катиони на алкални метали и техните радиуси в хидратирано състояние.

Хидратираща обвивка r (Li+)>gt; r(Na+) > r(K+) > r(Rb+) > r(Cs +) Увеличаване на адсорбционния капацитет 13. Връзката между ефективните радиуси на катиони на алкални метали и радиусите на катиони в хидратирано състояние. Йоните, подредени в реда на увеличаване (или намаляване) на адсорбционния капацитет, образуват серии, които се наричат ​​лиотропни серии (или серии на Hofmeister). И така, хидратираните катиони на алкални метали могат да бъдат подредени в лиотропна серия:

Таблица Елуотропна серия от разтворители Диелектрик Диелектрик po Разтворител постоянно стоене Разтворител Вода 81,0 Диоксан Метилов алкохол 31,2 Хлороформ 5 Етилов алкохол 25,8 Метилен хлорид n-пропилов алкохол 22,8 Бензен 2 Ацетон 21,5 Толуен 2 Дихлороетан 10,4 Трихлоретилен 3 Етил ацетат 6. 1 Тетрахлорметан 2, Амилацетат - Циклохексан 2, Етилов етер 4.4 Петролеев етер 1, Експериментално оборудване и реактиви. Статив с халки и лапи; поставка за епруветки; шест епруветки, две от които с коркови запушалки; технохимични везни; шест конични колби за 200-300 ml; три конични колби от 100 ml; шайба с дестилирана вода; 25 ml бюрета с 0,1 ml деления; пипети за 20, 10 и 2 ml; три фунии с диаметър 5 cm; филтърна хартия, восъчен молив за стъкло, бялвълнени конци. животински въглен; ацетон; разтвори: 0,1 N. CH3COOH; 0,1 N и 2 п.

NaOH; 0,1 N K2 Cr2O7; 0,02 n. СаС12; 0,1 N (NH4)2C2O4; 0,05% Pb(NO3)2; 2% алкохолен разтвор на фенолфталеин; разтвор на фуксин и еозин; 0,05% разтвор на метиленово синьо; каолин (глина); етанол.

Опит 1. Изместване на едно вещество от повърхността на адсорбента с друго.

В три конични колби с вместимост 200-300 ml, номерирани с восъчен молив, се наливат с пипета 20 ml 0,1 N. разтвор на оцетна киселина. Добавете 20 ml дестилирана вода в колби 1 и 2 и 20 ml ацетон в колба 3. Колба 1 - контрола. Добавете точно 1,0 g животински въглен към колби 2 и 3 и разклатете течността във всяка колба за минути.

След първите три колби се поставят предварително номерирани три еднакви колби с фунии и сухи филтри и в тях се филтрира съдържанието на колбите от първия ред (от първата колба към първата, от втората към втората и т.н.). Първите три колби се отстраняват настрани, на тяхно място се поставят три малки колби (1, 2, 3) и в тях се прехвърлят с пипета 10 ml филтрати в същия ред (от първата към първата и т.н.). Изсипете в бюрета 0,1 N. разтвор на натриев хидроксид. Във всяка от трите колби с филтрати се добавят по две капки фенолфталеин и оцетната киселина се титрува.

Запишете броя на милилитрите разтвор на натриев хидроксид, използвани за всяко титруване.

Таблица Експериментални и изчислени данни № на колбата Съдържание на колбите 1 2 Взети 0,1 н. разтвор на оцетна киселина, ml 20 20 Добавена вода, ml 20 20 — Добавен ацетон, ml — — Добавен към разтвора на въглища, g — 1 Използва се за титруване 0,1 n. разтвор на натриев хидроксид, ml Брой ml 0,1 n. разтвор на натриев хидроксид, съответстващ на киселината, адсорбирана от въглерода (според разликата между първия идруги колби) Количеството адсорбирана оцетна киселина в колби 2 и 3 (100% е броят милилитри сода каустик, използвани за титруване на киселината в колбата1) Опит 2. Адсорбция от разтвори, съдържащи калциеви и оловни йони.

В епруветка се наливат около 5 ml 0,05% разтвор на оловен нитрат. 2-3 капки разтвор на калиев хромат се добавят към 2-3 капки от разтвора, взет от епруветката, и се образува жълта утайка от PbCrO4. добавете около 0,1 g активен въглен към останалия разтвор в епруветката, затворете я със запушалка и след 3 минути разклащане филтрирайте разтвора в чиста епруветка и се уверете (проба с K2CrO4), че в разтвора няма Pb2+ йони.

По подобен начин се провежда експеримент с 0,02 n. разтвор на калциев нитрат. Калциевите йони се откриват чрез качествена реакция с амониев оксалат.

Опит 3. Влияние на разтворителя върху адсорбцията (селективност на адсорбцията).

5 ml леко оцветен воден разтвор на фуксин се изсипват в една епруветка, 5 ml леко оцветен алкохолен разтвор на фуксин също се изсипват в друга, добавят се 0,1 g въглища (прах), разклаща се и се филтрира. Фуксинът не се адсорбира от алкохолен разтвор.

Опит 4. Селективна адсорбция на киселинни и основни цветове от каолин.

Изсипете 2 ml разредени разтвори на еозин (или флуоресцеин) и метиленово синьо в епруветка, добавете около 0,2 g каолин, разклатете и филтрирайте. Метиленовото синьо се адсорбира, докато еозинът (или флуоресцеинът) не се адсорбира от каолин.

Опит 5. Боядисване на вълна.

3 ml 0,05% разтвор на метиленово синьо се изсипват в три епруветки, към втората от тях се добавят 5 капки 2 N разтвор. разтвор на НС1 и в третия - 5 капки от 2 н. разтвор на NaOH. Във всяка епруветка се добавят няколко бели вълнени конеца, оставят се за 20-30 минути,след което разтворите се отцеждат и нишките се измиват обилно със студена вода. Вълната е интензивно боядисана в алкален разтвор, слабо в неутрален и не е боядисана в кисел разтвор. Какъв електрически заряд има вълната (протеинът) в кисели и алкални разтвори Ще бъде ли оцветена вълната в кисел или алкален разтвор с кисела боя, като еозин Проверете.

Контролни въпроси 1. Обяснете защо в опит 1 при една и съща концентрация на оцетна киселина процентът на адсорбираната киселина в колби 2 и 3 е различен.

2. Защо еозинът не се адсорбира, а метиленово синьо се адсорбира от каолин 3. Обяснете защо фуксинът се адсорбира от воден разтвор и не се адсорбира от алкохолен разтвор.

4. Какво може да обясни боядисването на вълната в алкални и неутрални разтвори на багрила, докато в киселинни разтвори вълната не се боядисва Лабораторна работа ЙОННООБМЕННА АДСОРБЦИЯ Цел на работата. Изучете йонообменната адсорбция и се запознайте с някои йонообменни смоли.

Теоретична част Под обменна адсорбция се разбира явлението на заместване върху адсорбента на едно вещество с друго, намиращо се във външната среда. В най-простия случай това е изместването на слабо свързан адсорбент от по-силен. В резултат на такава конкуренция за активните центрове на адсорбента и двата адсорбента ще се появят върху него в количества, пропорционални на техния адсорбционен капацитет.

Разновидност на обменната адсорбция е йонообменната адсорбция. Същността на което е, че някои адсорбенти имат йони или функционални групи на повърхността си, молекули, съдържащи йони, които под въздействието на електролитен разтвор се дисоциират на йони и се заместват от йони с еднакъв заряд, съдържащи се в разтвора (фиг. 14):

B A B A A B A B B A B A A B A B B A B A A B A B AB A A B A B B A Фиг.14 Схема на обменна адсорбция Например, в багрилото метиленово синьо, което проявява основни свойства, положително зареден йон се адсорбира главно върху електроотрицателни (киселинни) адсорбенти, по-специално върху силикагел, а отрицателен йон (хлорен йон) остава в разтвора.

За да се компенсира зарядът на този анион в разтвор от силикагел, положителен натриев йон, който винаги се съдържа в малко количество в силикагел, преминава в разтвор.

Такава селективна адсорбция на йони на разтвора от адсорбента, придружена от едновременно изместване на съответния йон от адсорбента, се нарича обменен полярен или йонообменен.

По време на обменната адсорбция йоните се обменят в еквивалентни количества, поради което електрическата неутралност на разтворите остава непокътната. По същата причина електронеутралността остава ненарушена и върху повърхността на адсорбента. Обменната адсорбция протича по-бавно от конвенционалната адсорбция.

Явлението обменна адсорбция играе важна роля в процесите, протичащи в почвите, а също и в химическата технология. Така че пермутитите и естествените зеолити (водни натриеви алумосиликати) се използват за пречистване на вода (омекотяване). Те абсорбират калциеви и магнезиеви йони от водата, давайки й еквивалентно количество натриеви йони и по този начин намаляват нейната твърдост.

Ако по време на обменната адсорбция адсорбентът отдаде водороден или хидроксилен йон вместо адсорбирания катион или анион на солта, тогава разтворът съответно придобива кисела или алкална реакция. Такава обменна адсорбция се нарича хидролитична.

Йонообменната адсорбция представлява голям практически интерес за абсорбцията на йони от електролитен разтвор, както и разделянето на техните сложни смеси.

В зависимост от това далинезависимо дали има обмен на катиони или аниони, се прави разлика между катионнообменна или анионобменна сорбция. Понастоящем е известно, че относително голям брой вещества имат свойствата на катионен или анионен обмен. С оглед на голямото практическо значение на йонообменната адсорбция, индустрията специално произвежда така наречените йонообменни смоли, с които можете да промените състава на йоните на изследвания разтвор.

Йонообменните смоли или йонообменниците се разделят на две групи: катионобменници, които имат свойството да обменят своите катиони за солни катиони, и анионобменници, обменящи собствените си аниони за солни аниони, присъстващи в разтвора. Катионообменниците съдържат в състава си активни киселинни групи от типа:

-S03H; —CH2SO3H; —COOH и др.

Водородът на тези групи може да се обменя с други катиони.

Същността на катионния обмен може да се изрази със следната схема:

а) с алкален RH+ + Na+ OH RNa+ + H+2O б) със сол 2RH+ + Ca2+ Cl2 R2 Ca2+ + 2H+ Cl, където R е комплексен анион на синтетична смола и колкото по-висок е положителният заряд на йона, толкова по-добре се абсорбира от катионобменника.

Анионообменниците включват активни основни групи:

R-OH; -NH2; =NH; N и други.

Механизмът на анионния обмен върху тези смоли все още не е достатъчно проучен.

Очевидно обменните аниони могат да бъдат хидроксилни йони, образувани на повърхността на смолата по време на нейната хидратация.

Най-общо същността на анионния обмен може да бъде представена схематично: а) с киселина R-OH + HC1 R-C1 + H2 б) със сол 2R-OH + Na2SO4, R2SO4 + 2NaOH Обикновено катионобменните смоли се получават чрез кондензация на фенолсулфонова киселина с формалдехид. Готовите катионообменници са черни или тъмнокафяви гранулирани вещества с диаметър на зърното от 0,5 до mm.

Анионообменните смоли се синтезират откондензация на анилин и n-фенилендиамин с формалдехид, както и чрез кондензация на карбамид с формалдехид.

Преди употреба йонообменните смоли се обработват предварително. Обработката им се състои в това, че катионообменниците се заливат с дестилирана вода и се оставят един-два дни да набъбнат, след което водата се отстранява, набъбналата смола се залива с 2 н. разтвор на солна киселина и се оставя с киселина за един ден, след което киселината се отцежда и зърната на смолата се промиват до неутрална реакция (тест с метилоранж). В резултат на тази обработка се получава Н-формата на катионобменника.