Исследовательская работа на тему: «Сравнительная характеристика адсорбционных свойств различных веществ»

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение  средняя общеобразовательная школа № 5  г. Искитима Новосибирской области «Сранительная характеристика адсорбционных свойств различных веществ» Авторы: Казаченко Валерия,  Волкова Полина, ученицы 9«А» класса  Руководитель: учитель химии  Свитова Ирина Генриховна г. Искитим, 2016 Оглавление Введение ………………………………………………………………………………… 1. Сущность процесса адсорбции …………………………………………………… 2. Классификация адсорбции ……………………………………………………….. 3. Механизм адсорбции ……………………………………………………………… 4. Физическая адсорбция …………………………………………………………….. 5. Экспериментальная работа ………………………………………………………. 6. Практическое значение адсорбции ……………………………………………… Выводы: ………………………………………………………………………………… Информационные источники ……………………………………………………….. Введение Вы никогда не задумывались «Почему одежда маляра пахнет краской, кондитера – ванилью, а продавца парфюмерного магазина – духами?». С физико­химическим явлением, о котором сейчас пойдет речь, знаком, наверное, каждый, хотя, может быть, не все знают, что оно называется адсорбцией. Если даже вы и не знакомы с ней, то наблюдали вы ее неоднократно. Адсорбционные  явления  чрезвычайно   широко распространены  в живой  и  неживой природе. Толщи горных пород и почвы являются огромными колоннами с адсорбентами, по которым перемещаются водные и газовые растворы. Легочная ткань подобна адсорбенту ­ носителю,   на   котором   удерживается   гемоглобин   крови,   обеспечивающий   перенос кислорода в организм. Многие функции биологических мембран живой клетки связаны со свойствами   их   поверхности,   так,   например,   общая   площадь   биологических   мембран   в организме   человека   достигает   десятков   тысяч   квадратных   метров.   Даже   такие   наши чувства, как обоняние и вкус, зависят от адсорбции молекул соответствующих веществ в носовой полости и на языке. Что такое адсорбция? Какие вещества называются адсорбентами? Какие вещества обладают высокой адсорбционной способностью и почему? Как используется это явление в быту и промышленности? Как ещё можно использовать это явление? Пытаясь   ответить   на   эти   вопросы,   мы   сформулировали   тему   нашей исследовательской   работы:   «Сранительная   характеристика   адсорбционных   свойств различных веществ» Цель работы: Изучение характеристик адсорбционных свойств различных веществ Задачи исследования: 1. Изучить сущность процесса адсорбции, её классификацией и механизмами её проявления 2. Сравнить вещества, обладающие высокой адсорбционной способностью.  3. Ознакомиться с использованием данного явления в быту и промышленности 4. Предложить новые варианты применения данного явления. Гипотеза исследования: Если предложенные вещества являются адсорбентами, то они обладают различными адсорбционными  способностями  Объект исследования: адсорбенты Предмет исследования: Адсорбция веществ В ходе исследования была рассмотрена специальная литература,  internet­источники, проведена практическая работа по исследованию адсорбционной способности различных веществ. 1. Сущность процесса адсорбции Чтобы вы имели представление о данном явлении, приведем в качестве примера две   странную   болезнь   Ньютона   и   версию   отравления   Наполеона. истории: болезнь   Ньютона Странная болезнь Ньютона: незадолго до своего пятидесятилетия, в 1692 году, Ньютон тяжело заболел. Причина болезни осталась неизвестной. Недуг продолжался год. Когда непонятная болезнь прошла, он прожил еще 33 года. Впоследствии группа исследователей проанализировала имеющиеся в их распоряжении волосы великого ученого. Оказалась, что средняя концентрация ртути в них в 15 раз превышала норму. Химический анализ волос и то обстоятельство, что до болезни Ньютон 18 лет работал с ртутью, послужили основанием считать отравления. Версия   отравления   Наполеона:   подобному   анализу   подверглись   волосы   Наполеона,   в которых   была   обнаружена   повышенная   концентрация   мышьяка,   достаточная   для отравления. Источником мышьяка, по­видимому, служили обои спальни Наполеона в его доме   на   острове   Святой   Елены.   По   случайно   сохранившемуся   образцу   обоев   удалось установить, что они содержали большое количество мышьяка (в виде арсенита мышьяка). В   настоящее   время   объяснение   причины   болезни   Ньютона   и   возможность   отравления Наполеона   следует   рассматривать   как   версии.   Безусловной   в   одном   случае   является повышенная концентрация в волосах ртути, в другом ­ мышьяка. Возможно, они проникли во внутренние органы человека, а затем в волосы, но скорее это произошло вследствие адсорбции паров ртути и мышьяка из окружающей среды. результатом     ртутного   Явление адсорбции известно очень давно. Такие природные материалы, как песок и почва, использовали для очистки воды еще на заре человеческого общества. В конце XVIII века   К.   Шееле   и   одновременно   Фонтана   обнаружили   способность   свежепрокаленного древесного угля поглощать различные газы в объемах, в несколько раз превышающих его собственный объем. Вскоре выяснилось, что величина поглощенного объема зависит от типа угля и природы газа. Т.Е. Ловиц в 1785 году открыл явление адсорбции углем в жидкой   среде,   подробно   исследовал   его   и   предложил   использовать   уголь   для   очистки фармацевтических препаратов, спирта, вина, органических соединений. Ловиц показал, что древесный уголь способен быстро очищать испорченную воду и делать ее пригодной для питья. И сейчас основным действующим началом фильтров для воды служат углеродные материалы, конечно более современные, чем природные угли.  Так   что   же   такое   адсорбция?   Ознакомившись   с   различными   информационными источниками, мы выяснили, что адсорбция – это процесс поглощения вещества из раствора или   газа   поверхностным   слоем   жидкости   или   твердого   тела,   при   котором   происходит повышение   концентрации   одного   вещества   (газ,   жидкость)   у   поверхности   другого вещества (жидкость, твёрдое тело).  В широком смысле слова адсорбцией называют процесс изменения концентрации у поверхности раздела двух фаз. Адсорбирующееся   вещество   является   адсорбатом,   адсорбирующее   вещество  В   приведенном   примере   пары   ртути   и   соединений   мышьяка   будут ­адсорбентом. адсорбатом, а волосы ­ адсорбентом. В   зависимости   от   агрегатного   состояния   адсорбата   и   адсорбента   различают адсорбцию   на   границах   твердого   тела   и   газа   Т­Г   (адсорбция   паров   на   волосах   этому соответствует), жидкости и газа Ж­Г (растворенных в воде веществ на границе с газовой средой), твердого тела и жидкости Т­Ж (красящих веществ на бентоните и красителях на ткани). Ни Ньютон, ни Наполеон не подозревали, что их волосы являлись адсорбентом, и ничего не могли сделать для предотвращения адсорбции. 2. Классификация адсорбции В   зависимости   от   природы   адсорбционных   сил   различают   физическую   и   химическую адсорбцию (хемосорбция). (схема 1)  Схема №1 При физической адсорбции взаимодействие адсорбента и адсорбата осуществляется за   счет   сил   Ван­дер­Ваальса   и   водородных   связей,   а   при   хемосорбции   —   за   счет образования химической связи. В результате физической адсорбции молекулы адсорбата сохраняют   свои   индивидуальные   особенности.   Физическая   адсорбция   обратима, малоспецифична,   т.е.   в   незначительной   степени   зависит   от   природы   адсорбата,   не локализована   (адсорбированные   молекулы   в   состоянии   передвигаться   по   поверхности адсорбента),   может   привести   к   образованию   нескольких   адсорбционных   слоев   и уменьшается   с   ростом   температуры.   За   счет   физической   адсорбции   осуществляется, например, адсорбция паров воды. При   хемосорбции   молекулы   адсорбата   образуют   с   адсорбентом   поверхностные химические соединения. Хемосорбцию следует рассматривать как химическую реакцию на поверхности   раздела   фаз,   а   применительно   к   дисперсным   системам   –   между   фазой   и средой. Между   физической   и   химической   адсорбцией   существует   много   промежуточных случаев,  обусловленных  образованием  водородных  связей,  электростатическими  силами взаимодействия   между   ионами,   диполями   или   квадруполями   и   другими   причинами   в зависимости   от   химической   природы   молекул   адсорбтива   и   адсорбента.   Значительная часть промежуточных случаев вызвана специфической адсорбцией, которая определяется химической природой молекул адсорбата и адсорбента. Кроме того, адсорбция зависит от геометрии поверхности раздела — в случае плоской поверхности речь идет об адсорбции на самой поверхности, а для пористой поверхности — об адсорбции в порах адсорбента. В   качестве   сорбентов   используют   различные   естественные   и   искусственные материалы: золу, коксовую мелочь, торф, цеолиты, активные глины и др. Особенно широко для   этих   целей   применяются   активированные   угли,   удельная   поверхность   адсорбции достигает 400—900 м2/г. Адсорбция представляет собой диффузионный процесс, значение которого как механизма отделения примесей постоянно возрастает.  3. Механизм адсорбции  Адсорбция   идет   самопроизвольно   и   обусловлена   снижением   поверхностного натяжения.   Поверхностное   явление   адсорбции   может   сопровождаться   тепловыми эффектами,   связанные   с   выделением   или   поглощением   тепла.   Тепло   выделяется   при образовании новой поверхности раздела фаз. Адсорбция лежит в основе очистки, осушки, разделения газов и других процессов. У   любого   твердого   тела   отдельные   его   частицы   (атомы,   молекулы   или   ионы) расположены   в   известном   порядке.   При   этом   частица   внутри   тела   находится   в   иных условиях, чем расположенная на его поверхности. Действительно, частица А окружена другими такими же частицами равномерно со всех сторон. Ее   внешнее   силовое   поле,   следовательно,   со   всех   сторон   одинаково   компенсировано подобными же полями соседних частиц. В ином положении находится частица Б, так как ее поле с внешней стороны не компенсировано. Поэтому на поверхности остается свободное силовое поле, за счет которого к твердому телу и могут притягиваться частицы тех или других веществ из соприкасающегося с ним газа или раствора. Сила   адсорбционного   поля   и   его   характер   определяются   природой   данного адсорбента   (поглотителя)   и   расположением   частиц   на   его   поверхности.   Кроме   того, адсорбционная способность зависит и от величины поверхности. Поэтому понятно, что отдельные   адсорбенты   могут   очень   сильно   отличаться   друг   от   друга   по   своей поглотительной способности как количественно, так и качественно.  Следует   отметить,   что   не   существует   особых   сил,   вызывающих   адсорбцию. Адсорбция молекул на поверхности твердого тела происходит за счет сил притяжения со стороны поверхностных частиц. Атомы, молекулы или ионы на поверхности адсорбента находятся в ином окружении, чем внутри объемной фазы, поскольку, по крайней мере, с одной   стороны   у   них   нет   соседей.   Газ   можно   представить   как   множество   молекул, движущихся   свободно   по   всем   направлениям.   Если   в   сосуд,   в   котором   находится   газ, поместить  адсорбент,  то  во   время  своего   движения  часть  молекул  может  удариться  о поверхность   адсорбента   и   остаться   на   ней   на   некоторое   время.   Продолжительность пребывания молекул на поверхности и величина адсорбции зависят от таких факторов, как природа   поверхности   и   самой   молекулы,   а   также   температура   и   число   молекул, ударяющихся о поверхность (пропорционально давлению газа). В случае тонкодисперсного или пористого твердого тела влияние поверхности может быть весьма значительным. 4. Физическая адсорбция В   зависимости   от   природы   адсорбционных   сил,   как   мы   уже   говорили,   адсорбция может быть физической и химической. Физическая адсорбция обусловлена силами межмолекулярного взаимодействия. Особенности физической адсорбции: 1.  Обратимость; 2.  Специфичность, т.е. на полярных адсорбентах адсорбируются полярные вещества, на   неполярных   –   неполярные   и   малая   теплота   адсорбции   –   теплота,   которая выделяется при адсорбции, составляет всего 8 – 40 кДж/моль. 3. С   повышением   температуры   адсорбция   уменьшается,   так   как   увеличивается скорость десорбции. Чтобы   лучше   понять   третью   особенность   физической   адсорбции,   немного познакомимся с десорбцией. Что же такое десорбция? Десорбция ­ это обратный процесс адсорбции.  Она   происходит   самопроизвольно   и   идет   до   тех   пор,   пока   не   наступит равновесие между прямым и обратным процессами (схема 2). Процесс адсорбции обратим. Частицы   в  адсорбционных  слоях   не  закреплены   жестко,  они  совершают   колебательные движения, то приближаясь к поверхности адсорбента, то удаляясь от нее. Некоторые их них могут выходить за пределы действия сил притяжения  адсорбента. В таком случае наблюдается   обратный   процесс   ­   десорбция,   т.е.   отрыв   молекул   или   ионов адсорбированных   веществ   от   поверхности   адсорбента   и   уход   их   в   окружающее пространство.           Схема 2 5. Экспериментальная работа В   качестве   сорбентов   используют   различные   естественные   и   искусственные материалы: золу, коксовую мелочь, торф, цеолиты, активные глины и др. Одним из самых распространенных   адсорбентов   является   активированный   уголь.     Его   получают   при нагревании древесины без доступа воздуха в специальных печах. Благодаря своей пористой поверхности   древесный   уголь   обладает   способностью   поглощать   газы   и   растворенные вещества. Чтобы увеличить поглотительную способность (т.е. количество пор), древесный уголь   обрабатывают   горячим   водяным   паром.   Обработанный   таким   способом  уголь называют активированным С помощью эксперимента попробуем выяснить, одинаково ли хорошо адсорбируются молекулы разных газов активированным углем. О п ы т 1. «Избирательная адсорбция газов активированным углем» Цель: Продемонстрировать явление избирательности адсорбции. Оборудование   и   реактивы.   Плоскодонная   колба,   резиновая   пробка   к   колбе,   лучина, спички, пробирка с газоотводной трубкой, штатив для пробирок; активированный уголь, медные стружки, концентрированная азотная кислота. На демонстрационном столе находится открытая колба, в которой присутствует воздух – такой же, как в кабинете. При внесении горящей лучины в колбу лучинки хорошо горит Она   же   будет   гореть   при   внесении   ее   в   колбу,   в   которую   предварительно   добавили активированный уголь. Дополнительно эту же колбу наполним небольшим количеством оксида азота(IV) NO2  (бурый газ). Диоксид азота получают при взаимодействии медных стружек с концентрированной азотной кислотой:  Cu + 4HNO3 (конц.) = Cu(NO3)2 + 2H2O + 2NO2. Исчезновени е   бурой   окраски   газа   свидетельствует   о   поглощении   диоксида   азота активированным углем, а горящая в ней лучинка указывает на то, что молекулы кислорода не   поглотились   активированным   углем.   Следовательно,     активированный   уголь   хорошо адсорбирует молекулы диоксида азота  и плохо адсорбирует молекулы кислорода и азота. Вывод:   Активированный   уголь   –   обладает   избирательной   адсорбционной   способностью газов. О п ы т 2. «Обесцвечивание растворов различными адсорбентами» Цель: Определить время обесцвечивания растворов различными адсорбентами Оборудование и реактивы: Раствор бриллиантового зеленого, смекта, активированный  уголь, вода, пробирки (2 шт.). Приготовим 2 стакана окрашенный раствор бриллиантового зеленого («зеленки»).  В  каждый стаканчик насыплем по одинаковой массе определенного адсорбента: в первый  стаканчик – одну таблетку активированного угля; во второй – порошок «Смекты» (на  кончике чайной ложки). Определим время, через которое жидкости в каждом стаканчике  обесцветятся. В пробирке со смектой обесцвечивание раствора произошло быстрее, чем в  другой. Со смектой раствор обесцветился за 30 минут, а с активированным углем – за  сутки. Спустя 30 минут                                                       Спустя сутки Вывод: Смекта обладает лучшей адсорбционной способностью жидкостей. О п ы т 3. «Поглощение запаха различными адсорбентами» Возьмем две поллитровые стеклянные банки и капним на дно каждой каплю туалетной  воды (или духов). Через некоторое время легкими взмахами руки направим к носу воздух  вместе с парáми летучего вещества, чтобы почувствовать его запах. Затем положим в одну  банку несколько таблеток активированного угля, а в другую ­ воздушную кукурузу или  кукурузные палочки. Плотно закроем их крышками и оставьте на несколько минут.  Снимем крышку и вновь направим воздух к себе взмахами ладони. Во второй пробирке  запах практически не ощутим. Вывод: Лучшим адсорбентом являются кукурузные палочки. О п ы т 4. «Обесцвечивание растворов бриллиантового зеленого и йода активированным углем» Оборудование и реактивы: Пробирка (2 шт.), раствор бриллиантового зеленого, раствор йода, активированный уголь (2 шт.), вода. Ход работы:  В одну из пробирок добавили каплю йода, в другую – «зеленки». Затем поместили по таблетке в каждую пробирку и наблюдали явление адсорбции. Спустя 5 минут йод полностью обесцветился, а «зеленка» только спустя сутки. Вывод: Лучшим адсорбатом является йод. О п ы т 5. «Обесцвечивание раствора бриллиантового зеленого различными адсорбатами» Оборудование и реактивы: вода, спирт, активированный уголь, раствор бриллиантового зеленого, пробирки (2 шт.) Ход   работы:  В   одну   из   пробирок   налили   воду,   в   другую   –   спирт,   добавили   в   них несколько   капель   спиртового   раствора   бриллиантового   зеленого.     Поместили   в   обе активированный   уголь.   В   воде   уголь   показал   себя   как   хороший   адсорбент,   обесцветив раствор бриллиантового зеленого.  Вывод:  Спирт – плохой адсорбат, который не смог поглотить раствор бриллиантового зеленого. В момент добавления активированного угля            Спустя сутки          О п ы т 6. «Поглощение воды силикагелем» Оборудование и реактивы:  силикагель в виде гранул, силикагель в виде порошка,   3 пробирки, вода.  Ход работы: В три пробирки поместили одинаковое количество силикагеля и добавили к двум из них воду. Через 3 минуты силикагель в виде порошка разбух, силикагель в виде гранул слегка разбух спустя сутки.   Вывод: Силикагель в виде порошка является лучшим адсорбентом, его лучше использовать в быту. 6. Практическое значение адсорбции При   помощи   различных   твердых   адсорбентов   производится   улавливанье   ценных паров   и   газов,   осветление   растворов   в   производстве   сахара,   глюкозы,   многих фармацевтических препаратов, нефтепродуктов. Адсорбцией извлекают малые количества веществ,   растворенных   в   больших   объемах   жидкости.   Этим   способом   пользуются, например,   в   технологии   получения   редких   элементов.   Важную   роль   адсорбционные процессы   играют   в   гетерогенном   катализе,   при   крашении   волокон,   при   обогащении полезных ископаемых (флотация). Ионообменная адсорбция нашла широкие применения в пищевой промышленности. Так, например, в производстве вина с помощью ионитов из него удаляют  излишнее   количество   ионов  Fe3+,Cu2+,Ca2+,  которые   вызывают  помутнение  вин. Таким  же методом  изменяют  солевой  состав молока. Коровье  молоко характеризуется повышенным   содержанием   солей,   поэтому   отличаются   от   женского   характером створаживания, зависящим от соотношения казеина и солей кальция. Удаляя с помощью ионитов определенное количество солей кальция из коровьего молока, можно так изменить соотношение кальция и казеина, что коровье молоко можно будет применять для питания детей   раннего   возраста.   Полученное   таким   способом   молоко   называется   ионитным. Иониты   применяются   для   очистки   воды   и   пивоваренном   производстве   и   могут   найти применение   для   умягчения   воды   в   общественном   питании.   Адсорбция   широко используется   в   кулинарной   практике,   в   частности,   для   осветления   мясных   и   рыбных бульонов.   Процесс   осветления   бульонов   основан   на   том,   что   белки   икры   и   яиц   (при осветлении   рыбных   бульонов)   или   специальной   «оттяжки»   (при   осветлении   обычных мясных или мясо ­ костных бульонов) при нагревании свертываются, образуя пористую массу,   которая   адсорбирует   на   своей   поверхности   взвешенные   частицы,   придающие бульону мутность. Яичным белком осветляют также мутные фруктово­ягодные сиропы для приготовления желе. Выводы: 1. Адсорбционные явления чрезвычайно широко распространены в живой и неживой природе.  2. Адсорбция – это процесс поглощения вещества из раствора или газа поверхностным слоем   жидкости   или   твердого   тела,   при   котором   происходит   повышение концентрации одного вещества у поверхности другого вещества.  3. В зависимости от природы адсорбционных сил различают физическую и химическую адсорбцию (хемосорбция). 4. Адсорбция   идет   самопроизвольно   и   обусловлена   снижением   поверхностного натяжения. 5. Десорбция ­ это обратный процесс адсорбции. Она происходит самопроизвольно и идет   до   тех   пор,   пока   не   наступит   равновесие   между   прямым   и   обратным процессами. 6. С помощью проделанных опытов мы смогли изучить характеристики адсорбционных свойств различных веществ. Мы смогли доказать ими, что:   Активированный   уголь   –   обладает   избирательной   адсорбционной способностью газов.   Кукурузные палочки хорошо поглощают газы.  Йод является отличным поглотителем другого вещества.  Для впитывания влаги лучше использовать силикагель в виде порошка.  Смекта быстро адсорбирует вещество.  В спирте адсорбция протекает медленно Таким образом, выдвинутая нами гипотеза, оказалась полностью доказанной. Данную   работу   можно   использовать   на   факультативах,   уроках   и   внеклассных мероприятиях по химии. Информационные источники: 1. Киселев А.В. Межмолекулярные взаимодействия в адсорбции и хроматографии. М.: Высш. шк., 1986; 2. Грег С., Синг К. Адсорбция, удельная поверхность, пористость. М.: Мир, 1984; 3.  Кельцев Н.В. Основы адсорбционной техники. М.: Химия, 1984. 592с. 4. Романков П.Г., Лепилин В.Н. Непрерывная адсорбция паров и газов. ­ Л.: Химия,  1968. ­ 228 с. 5. Стефан Брунауэр. Адсорбция газов и паров, том I, Физическая адсорбция, пер. с  англ. Под редакцией М.М. Дубинина. ­ М.: ИЛ, 1948. ­ 783 с. 6. http   ://   www   .  xumuk    .  ru   /  encyklopedia  /43.    html    7. http   ://   www   .  chemport    .  ru   /  data  /  chemipedia    /  article  _35.      html    8. http   ://   traditio  ­  ru   .  org   /  wiki    /  Адсорбция    9. http   ://   allforchildren  .  ru   /  sci  /  sci  016.      php         10. http   ://   www   .  diagram    .  com   .  ua   /  tests  /  himija    /  himija  006.      shtml    11. http   ://   www   .  ngpedia    .  ru   /  id   564837  p  1.   html    12. http   ://   www   .  ngpedia    .  ru   /  id   217095  p  1.   html