Исследование адсорбционной способности пористого вещества
статья по химии (10, 11 класс)

В последнее время все большее применение получает физический метод анализа.     Среди него особое место занимает метод адсорбции.

Адсорбцией  называется самопроизвольно протекающий  процесс взаимодействия двух фаз — твердого тела — адсорбента и газа, пара или растворенного вещества—адсорбтива, происходящий поглощением газа, пара или растворенного вещества поверхностью твердого тела.

        В более  узком смысле: Адсорбция – это  накопление одного вещества на поверхности другого вещества ( адсорбента)

       Адсорбция всегда сопровождается выделением тепла. В большинстве случаев тепловой эффект адсорбции по своей величине приближается к теплоте конденсации поглощаемого газа и пара. Адсорбцию подразделяют на два вида: физическую и химическую.

      1)Физическая адсорбция в основном обусловлена поверхностными  силами, которые проявляются на расстояниях, значительно превышающих размеры адсорбируемых молекул, поэтому на поверхности адсорбента обычно удерживаются несколько слоев молекул адсорбата.
     2) Химическая адсорбция  обусловлена химическим взаимодействием поглощаемого вещества с адсорбентом с образованием на его поверхности обычных химических соединений.
     Силы притяжения возникают на поверхности адсорбента благодаря тому, что силовое поле поверхностных атомов и молекул не уравновешено силами взаимодействия соседних частиц. По физической природе силы взаимодействия молекул поглощаемого вещества и адсорбента относятся в основном к дисперсионным, возникающим благодаря перемещению электронов в сближающихся молекулах. В ряде случаев адсорбции большое значение имеют электростатические и индукционные силы, а также водородные связи. Поэтому адсорбция является самопроизвольным процессом, течение которого сопровождается уменьшением свободной энергии и энтропии системы.

Параграф 1. Классификация адсорбентов.

В соответствии с классификацией Киселева адсорбенты делят на три типа:

• Неспецифические, на поверхности ,которых нет каких-либо функциональных групп и ионов (угли, графитированная сажа, неполярные пористые полимеры);
• Имеющие на поверхности положительные заряды (на поверхности силикагеля, на катионах молекулярных сит, на катионах солей);
• Имеющие на поверхности связи или группы атомов с сосредоточенной электронной плотностью. Адсорбентами последнего типа являются некоторые полярные пористые полимеры, например содержащие нитрильные группы, привитые сорбенты и т. д

Глава 2. Силикагель.

Силикагель – твёрдый адсорбент, высушенный гель поликремниевой кислоты.

По своей структуре силикагель является высокопористым телом, образованным мельчайшими сферическими частицами, по химическому составу – двуокисью кремния SiO2 (кремнезёмом) (Приложение, рис.1.)

       Получают технический силикагель следующим образом: путем взаимодействия раствора силиката натрия или калия (жидкое стекло) с соляной или серной кислотой получают гель, который высушивают, а затем разламывают на куски, промывают водой, снова сушат, измельчают, фракционируют и прокаливают до полного удаления влаги. Товарный силикагель выпускают в виде зёрен или шаровидных гранул.

       Различные марки силикагелей имеют средний эффективный диаметр пор 20-150 Ангстрем (1 Ангстрем = 10-10 метра) и удельную поверхность 100-1000 м2/г.

       Силикагели используют для поглощения паров воды и органических растворителей, адсорбционной очистки неполярных жидкостей, в газовой и жидкостной хроматографии для разделения спиртов, аминокислот, витаминов, антибиотиков и др. Крупнопористые силикагели применяются как носители катализаторов.

Преимущества силикагелей

• Инертны.
• Химически и биологически безвредны;
• Возможность синтеза силикагелей в широком интервале заданных структурных характеристик при использовании достаточно простых технологических приемов;
• Высокая механическая прочность по отношению к истиранию и раздавливанию: низкая температура, требуемая для регенерации (110-200 0С) и, как следствие, более низкие энергозатраты.
• Взрыво- и пожаробезопасность.

Глава 3. Цеолит.

           Цеолит  – именно так обобщенно называют один из минералов, в структуру которого входят алюмосиликаты натрия и кальция, обусловливающие его уникальные свойства: удивительную адсорбирующую способность, возможность поглощения больших объемов воды, селективный ионный обмен (Приложение, рис.2). Водоподготовка, медицина, косметология, аналитическая химия – далеко не весь перечень сфер деятельности, где применяют цеолиты.

         Выделяют природный и цеолит искусственного происхождения. Натуральные минералы встречаются среди вулканических образований, кристаллических сланцев, в песчаниках. Объем месторождений незначителен, но их много по – всему миру. По своей структуре цеолиты – мелкопористые, легкие, хрупкие. Удивительная способность эффективной адсорбции связана с общей поверхностной площадью на единицу объема – колоссально большая величина. Минерал способен впитывать большие объемы воды, удерживать в своей структуре газы, участвовать в избирательном ионном обмене. Ценность его настолько велика, что помимо добычи природного цеолита, предприятия занимаются искусственным получением этого адсорбента.

      Искусственные цеолиты, по сравнению с натуральным минералом, отличаются высокими показателями чистоты, что определяет их широкое применение в производстве водоочистительных приборов тонкой очистки. Цеолиты в них работают, как молекулярные сита, ионообменники и просто прекрасные адсорбенты. В нефтеперерабатывающей промышленности эти минералы используются в качестве катализаторов, а в аналитической химии – для изготовления электродов.

      Учитывая высокую адсорбционную активность, цеолиты прекрасно подходят для оборудования по обнаружению газов. Кроме всего прочего, эти минералы находят применение и в быту: в качестве фильтров в аквариумах, как альтернатива активированному углю. Кошатники знают про цеолит благодаря их питомцам – раскрошенный минерал часто является основой для кошачьего туалета. Он замечательно удерживает любые, даже самые неприятные, запахи.

     В последние годы цеолит активно используется в косметологии. Его способность очистки кожи от вредных веществ доказана неоднократно. Работа минерала происходит на молекулярном уровне, и после первого применения может быть незаметна. Как показали опыты, многократное использование состава на основе цеолита высвобождает верхние кожные слои от шлаков, очищает поры, делает кожу упругой и шелковистой.

      Чаще всего, цеолиты, применяют для водоподготовки – это самый экономичный вид эффективного адсорбента. Низкая стоимость, возможность очистки воды на протяжении продолжительного отрезка времени – все это говорит в пользу цеолитов.

Глава 4. Активированный уголь.

       Активированный уголь — это адсорбент — вещество с развитой пористой структурой, которое получают из различных углеродсодержащих материалов органического происхождения. Наиболее качественными из доступных сорбентов являются уголь из кокосовой скорлупы и березовый (БАУ-А) уголь (Приложение, рис.3).

      Активированный уголь – это одна из форм углерода с несовершенной структурой, практически не содержащая примесей. Активированный уголь на 87-97 % по массе состоит из углерода, также может содержать водород, кислород, азот, серу и другие вещества.

      Активированный уголь содержит огромное количество пор и поэтому обладает очень большой удельной поверхностью на единицу массы. Один грамм активированного угля, в зависимости от технологии изготовления, имеет удельную поверхность от 500 до 1500 м2/г.

        Активированный уголь не усваивается организмом и выделяется из него без изменений. Активированный уголь поглощает  молекулы разных веществ, которые связываются и удерживаются углем, а позже выводятся из организма вместе с ним.

Активированный уголь может также нейтрализовать токсины, которые попали в кровь, токсины из крови вытягиваются в кишечник и адсорбируются углем.

Параграф 2.  Получение активированного угля.

       Активированные угли получают из разнообразного углеродсодержащего сырья в форме углей и коксов. Основной принцип активирования состоит в том, что углеродсодержащий материал подвергается селективной термической обработке в соответствующих условиях, в результате которой образуются многочисленные поры, щели и трещины и увеличивается площадь поверхности пор на единицу массы. В технике используются химические и парогазовые способы активирования.

       Для придания углю лучших адсорбционных свойств, то есть способности поглощать газы и некоторые вещества, применяется обжиг угля и обработка его водяным паром при температуре 800–1100° C, при этом удаляются все углеводороды, образующиеся при обугливании дерева — этот процесс носит название «активации угля».

Во Франции применялся способ получения активированного угля из торфа (по методу Э. Урбена): торф смешивался с фосфорной кислотой; при нагреве смеси до 1200° C образующийся фосфорный ангидрид поглощал все примеси и углеводороды, затем активированный уголь промывался соляной кислотой и высушивался.        

Активированный уголь, в зависимости от марок, изготавливается из различного сырья:

• БАУ-А, ОУ-А, ДАК — из древесного угля
• АГ-3, АГ-5, АР — из каменноугольного кокса
• PCG — из нефтяного кокса, асфальта, сажи
• из кокосового кокса
• из торфяного кокса
• из скорлупы кокосового ореха
• из лесного или грецкого ореха
• из фруктовых косточек
• из древесных отходов
• из синтетических материалов и резины
• из органических шламовых суспензий
• из смесей галогенсодержащих углеводородов
• из хлорированных карбидов кремния, титана, циркония, алюминия и бора

Параграф 3. Применение активированного угля.

• В медицине: при отравлении, тошноте, рвоте, газах в кишечнике, диарее, кожных проблем, укусах, аллергии.
• В промышленности
• В противогазах
• Для очистки газов
• Для определения золота
• Для похудения

Глава 5. Исследование.

          I.Получение пористого вещества.

Пористое вещество мы (я и учитель химии) получили из сахарной пудры действием на нее концентрированной серной кислоты. Концентрированная серная кислота обугливает органические вещества, в результате реакции сахарозы (сахарной пудры) и концентрированной серной кислоты образуется углеродосодержащее пористое вещество. Концентрированная серная кислота и сахароза вступает в реакцию дегидратации, от сахарозы кислота отнимает воду и частично окисляет ее.

Порядок проведения эксперимента.

     Эту реакцию мы проводили следующем образом: сахарную пудру поместили в высокий стеклянный стакан, чуть-чуть смочили водой и перемешали. Потом к влажному сахару прилили 30-40 мл концентрированной серной кислоты (Осторожно! Серная кислота -- едкое и опасное вещество!), быстро перемешали стеклянной палочкой, которую оставили в середине стакана, заполненного смесью. Через одну-две минуты сахарная пудра начала чернеть, вспучиваться и в виде объемистой, рыхлой и ноздреватой массы черного цвета подниматься по стеклянной палочке. Смесь в стакане сильно разогрелась и даже немного дымилась.  Серная кислота не только отнимает от сахарозы воду, но и частично обугливает (окисляет) ее. Выделяющаяся при реакции вода в основном поглощается серной кислотой с образованием гидратов, отсюда сильное тепловыделение, а углекислый газ, который получается при окислении сахарозы, и сернистый газ, образующийся при восстановлении серной кислоты, вспучивают образующийся уголь и выталкивают его из стакана вместе с палочкой (Приложение, рис.4).

      Взаимодействие сахарозы и концентрированной кислоты описывается химическим уравнением:

                          2 C12H22O11+2H2SO4 (конц.) →23C+CO2│+2SO2│+24H2O│+Q

      Данная реакция экзотермическая- полученное пористое углесодержащее вещество еще не готово для исследования, оно горячее и его надо остудить. Кроме этого его нужно промыть водой от остатков кислоты до нейтральной среды раствора и высушить.  Для этого в течение двух дней, получившееся пористое вещество остывало, затем мы промывали вещество (декантацией) холодной и горячей водой до нейтральной среды раствора (рН =7), контролируя изменение рН раствора универсальными индикаторными полосками. Через пять дней мы достигли нужного результата -среда раствора осталась постоянной, близкой к нейтральной. Затем высушили полученное пористое вещество, внешне напоминающее уголь (Приложение, рис.5)

.

       II.Исследование адсорбционных свойств полученного пористого вещества и сравнение их с адсорбционными свойствами активированного угля.  

       В результате реакции сахарозы с концентрированной серной кислотой мы получили углеродосодержащее пористое вещество. По нашему предположению это вещество может обладать некоторой адсорбционной способностью. После предварительной подготовки, декантации и высушивания, можно приступить к изучению адсорбционной способности полученного углеподобного вещества. Для подтверждения или опровержения нашей гипотезы, мы решили проверить осветляющую способность полученного вещества на примере обесцвечивания заварки чая, растворов перманганата калия и бромной воды и сравнить ее с осветляющей способностью активированного угля промышленного производства. Обесцвечивание растворов можно проводить двумя путями: фильтрованием через слой адсорбента и добавлением адсорбента в очищаемый раствор, кипячением его и фильтрацией адсорбента.

Порядок проведения эксперимента.

Для проведения сравнительного эксперимента были приготовлены по три образца полученного нами углесодержащего пористого вещества (исследуемые образцы) и активируемого угля промышленного производства (контрольные образцы)

 Мы решили взять равные по массе (по 1грамму) образцы активированного угля и пористого вещества,

1г активированного угля равен 4 таблеткам (1 таблетка = 250 мг) активированного угля в стандартной аптечной упаковке. На ученических весах взвесили по1г. пористого вещества (Приложение, рис.6). В ступке размельчили активированный угль и пористое вещество (Приложение, рис.7), затем измельченные порции исследуемых и сравнительных образцов засыпали в шесть одинаковых конических колб и добавили (прилили) в них одинаковые обьемы (по 250 мл) холодных растворов заварки чая, растворов перманганата калия и бромной воды, перемешали и дали отстоятся, через три дня растворы отфильтровали, проверили рН растворов в каждой колбе, убедились, что среда растворов одинаковая (рН→7) и постоянная (Приложение, рис.8) В результате этого эксперимента и исследуемые и сравнительные образцы обесцветили чай и растворы перманганата калия и бромной воды.  Исследуемые образцы лучше обесцветили все растворы, чем сравнительные образцы.

Выводы: Было получено пористое углесодержащее вещество и изучена его поглощающая способность. Наша гипотеза подтвердилась. Пористое углесодержащее вещество так же как и активированный уголь обладают адсорбционной способностью. Оба образца обесцветили три раствора: заварку чая, перманганата калия и бромную воду. Во всех экспериментах лучшая поглощающая способность оказалась у исследуемого образца. Пористое вещество полностью обесцветило растворы перманганата калия и бромную воду, обесцвечение раствора заварки чая произошло не полностью - до ярко желтого цвета. Можно предположить, что это связано с сильной крепостью приготовленного чая.