Исследовательская работа по теме»Влияние кислотности среды на скорость адсорбции активированным углем.»

Муниципальное автономное образовательное учреждение дополнительного образования детей Детский оздоровительно-образовательный центр туризма, экологии и отдыха «Вояж» муниципального района Бирский район Республики Башкортостан




Влияние кислотности среды на скорость адсорбции активированным углем.
Научно – исследовательская работа


Выполнил: обучающиеся дополнительного
образования МАОУ ДОД
ДООЦТЭиО «Вояж»
Ситникова Е., Зарбалиева С.
Руководитель:
Асылбаева М.Е.,
педагог дополнительного образования




Бирск - 2016
Содержание
Введение
3

Глава 1. Теоретический обзор литературы.
1.1. Адсорбция.
4

1.2. Адсорбция и хемосорбция
5

1.3. Физическая адсорбция
6

Практическое применение адсорбции
7

Глава 2. Экспериментальная часть. Влияние кислотности среды на скорость адсорбции активированном углем.
2.1. Определение хода экспериментальной работы
11

2.2. Проведение экспериментальной работы
11

2.3. Результаты экспериментальной работы
12

2.4. Расчеты в экспериментальной части.
13

Заключение.


Литература


Приложение

















Введение
В природе широко распространено явление поглощения одним веществом других веществ, называемое сорбцией. Тела с развитой поверхностью способны поглощать, т. е. адсорбировать, из окружающего объема молекулы газа, жидкости. Практическое значение явления адсорбции в жизни человека весьма велико. Вспомним хотя бы противогаз или бытовые фильтры для очистки воды. В жизни чаще применяют активированный уголь и в медицине в качестве адсорбента. Рассматривая актуальность данного процесса, мы решили изучить как кислотность желудочного сока влияет на скорость адсорбции различных бытовых химических веществ. Поэтому, целью нашего исследования поставлено: изучить влияние кислотности среды желудочного сока на скорость адсорбции активированного угля.
Исходя из поставленной цели, мы выявили следующие задачи:
- изучить из литературы адсорбцию, как физико-химический процесс, ознакомиться с применением данного явления;
- на практике изучить явление адсорбции активированным углем различных бытовых химических веществ;
-после проделанной экспериментальной работы, анализировать и делать соответствующие выводы.
Гипотеза: мы предполагали, что на скорость адсорбции влияет кислотность среды желудка.
Следовательно, объектом исследования стали адсорбция активированным углем. Предмет исследования: влияние различной кислотности на скорость адсорбции. В ходе выполнения работы были использованы следующие методы исследования: литературный обзор, эксперимент, наблюдение, анализ.


Глава 1. Теоретический обзор литературы.
1. Адсорбция.
Явление смачивания твердых тел жидкостями убеждает нас в том, что молекулы жидкости в некоторых случаях как бы прилипают к твердому телу и более или менее длительно удерживаются на нем. То же может происходить и с молекулами газа. Твердое тело, находящееся в газе, всегда покрыто слоем молекул газа, некоторое время удерживающихся на нем молекулярными силами. Это явление носит название адсорбции. Количество адсорбированного газа в разных случаях разное. Прежде всего, оно зависит от площади поверхности, на которой могут адсорбироваться молекулы: чем больше эта поверхность, тем больше адсорбируется газа. Адсорбирующая поверхность особенно велика у пористых веществ, т. е. веществ, пронизанных множеством мелких каналов, иногда невидимых даже при помощи микроскопа с большим увеличением. Количество адсорбированного газа зависит также от природы газа и от свойств твердого тела.
Одним из примеров веществ, способных адсорбировать громадные количества газа, является активированный уголь, т. е. уголь, освобожденный от смолистых примесей прокаливанием. Свойства активированного угля можно легко наблюдать. Поместим немного угольного порошка в пустую пробирку и будем нагревать ее на пламени. Уголь будет сильно выделять поглощенные газы. Выделение газов обнаруживается бурным, похожим на кипение жидкости, движением угольного порошка. Нальем в колбу несколько капель эфира и дадим ему испариться. Затем насыплем в колбу немного активированного угля и быстро закупорим колбу пробкой с трубкой, присоединенной к манометру. Пары эфира будут поглощаться углем, и манометр покажет резкое уменьшение давления.
Адсорбция ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] ad  на, при, в; sorbeo  поглощаю)  увеличение [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] растворенного вещества у поверхности раздела двух [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]  жидкость, конденсированная фаза газ) вследствие нескомпенсированности сил межмолекулярного взаимодействия на разделе фаз. Адсорбция является частным случаем [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], процесс, обратный адсорбции десорбция.
Поглощаемое вещество, ещё находящееся в объёме фазы, называют адсорбтив, поглощённое  адсорбат. В более узком смысле под адсорбцией часто понимают поглощение примеси из газа или жидкости твёрдым веществом (в случае газа и жидкости) или жидкостью (в случае газа)  [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]. При этом, как и в общем случае адсорбции, происходит концентрирование примеси на границе раздела адсорбент-жидкость либо адсорбент-газ. Процесс, обратный адсорбции, то есть перенос вещества с поверхности раздела фаз в объём фазы, называется десорбция. Если скорости адсорбции и десорбции равны, то говорят об установлении адсорбционного равновесия. В состоянии равновесия количество адсорбированных молекул остается постоянным сколь угодно долго, если неизменны внешние условия (давление, температура и состав системы)[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ].
2. Адсорбция и хемосорбция
На поверхности раздела двух фаз помимо адсорбции, обусловленной в основном физическими взаимодействиями (главным образом это [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]), может идти химическая реакция. Этот процесс называется хемосорбцией. Чёткое разделение на адсорбцию и хемосорбцию не всегда возможно. Одним из основных параметров по которым различаются эти явления является тепловой эффект: так, тепловой эффект физической адсорбции обычно близок к теплоте сжижения адсорбата, тепловой эффект хемосорбции значительно выше. Кроме того в отличие от адсорбции хемосорбция обычно является необратимой и локализованной. Примером промежуточных вариантов, сочетающих черты и адсорбции и хемосорбции является взаимодействие кислорода на металлах и водорода на никеле: при низких температурах они адсорбируются по законам физической адсорбции, но при повышении температуры начинает протекать хемосорбция.
1.3. Физическая адсорбция
Причиной адсорбции являются неспецифические (то есть не зависящие от природы вещества) [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]. Адсорбция, осложнённая химическим взаимодействием между адсорбентом и адсорбатом, является особым случаем. Явления такого рода называют хемосорбцией и химической адсорбцией. «Обычную» адсорбцию в случае, когда требуется подчеркнуть природу сил взаимодействия, называют физической адсорбцией.
Физическая адсорбция является обратимым процессом, условие равновесия определяется равными скоростями адсорбции молекул адсорбтива  P на вакантных местах поверхности адсорбента S* и десорбции  освобождения адсорбата из связанного состояния S 
· P:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ];
уравнение равновесия в таком случае:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ],
где K  [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], [S
· P] и [S*]  доли поверхности адсорбента, занятые и незанятые адсорбатом, а [P]  концентрация адсорбтива.
Количественно процесс физической мономолекулярной адсорбции в случае, когда межмолекулярным взаимодействием адсорбата можно пренебречь, описывается уравнением [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ],
где [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]  доля площади поверхности адсорбента, занятая адсорбатом, [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]  адсорбционный коэффициент Ленгмюра, а P  концентрация адсорбтива.
Поскольку [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ] и, соответственно, [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], уравнение адсорбционного равновесия может быть записано следующим образом:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Уравнение Ленгмюра является одной из форм уравнения [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]. Под уравнением изотермы адсорбции (чаще применяют сокращённый термин  изотерма адсорбции) понимают зависимость равновесной величины адсорбции от концентрации адсорбтива a=f(С) при постоянной температуре (T=const). Концентрация адсорбтива для случая адсорбции из жидкости выражается, как правило, в мольных либо массовых долях. Часто, особенно в случае адсорбции из растворов, пользуются относительной величиной: С/Сs, где С  концентрация, Сs  предельная концентрация (концентрация насыщения) адсорбтива при данной температуре. В случае адсорбции из газовой фазы концентрация может быть выражена в единицах абсолютного давления, либо, что особенно типично для адсорбции паров, в относительных единицах: P/Ps, где P  давление пара, Ps  давление насыщенных паров этого вещества. Саму величину адсорбции можно выразить также в единицах концентрации (отношение числа молекул адсорбата к общему числу молекул на границе раздела фаз). Для адсорбции на твёрдых адсорбентах, особенно при рассмотрении практических задач, используют отношение массы или количества поглощённого вещества к массе адсорбента, например мг/г или ммоль/г.
1.4.Практическое применение адсорбции
Практическое значение адсорбционных явлений очень велико.
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).
Адсорбция непосредственно используется при выработке сахара (для его очистки), в нефтяной промышленности (для улавливания бензина из природных газов) и т. д. Адсорбционные процессы лежат в основе крашения тканей, дубления кож и т. д.
Адсорбция играет основную роль при протекании многих каталитических реакций и в химии коллоидных растворов. На ней основаны также некоторые методы аналитической химии. Так, лучшая реакция открытия свободного йода– синее окрашивание им крахмала – обусловлена образованием адсорбционного соединения. Очень большое значение приобрел в настоящее время хроматографический метод разделения веществ, основанный на различном поглощении адсорбентом отдельных составных частей исходной смеси.
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 фруктово-ягодные сиропы для приготовления желе.
На адсорбционных процессах основано тонкое разделение смесей веществ и выделение из сложных смесей определенных компонентов. Примеры-разделение изомеров алканов с целью получения нормальных углеводородов для производства ПАВ. Для газовых смесей адсорбционного методы разделения используют при получении воздуха, обогащенного кислородом; во многие случаях эти методы успешно конкурируют с ректификационным. Быстро развивающаяся область применения адсорбционной техники-медицина, где она служит для извлечения вредных веществ из крови (метод гемосорбции) и др. физиологических жидкостей. Высокие требования к стерильности ставят очень трудную задачу подбора подходящих адсорбентов. К ним относятся специально приготовленные активные угли.
Современная медицина широко применяет специальные угли для извлечения токсичных веществ из крови (гемосорбция), лимфы, плазмы для повышения иммунитета, для консервирования крови, при инфекционных заболеваниях желудочно-кишечного тракта.
В XVIII веке была открыта способность древесного угля очищать различные жидкости и поглощать некоторые газы. До начала XX века углеродные сорбенты применяли преимущественно в пищевой промышленности и виноделии для очистки жидкостей. Необходимость обезвреживания боевых отравляющих веществ, возникшая в ходе первой мировой войны, стимулировала развитие работ по очистке газов. Разработанный российским ученым Н.Д. Зелинским противогаз с активным углем в качестве сорбента до сих пор является наилучшим способом защиты от летучих ядовитых веществ.
Для различных областей применения требуются углеродные сорбенты с определенным набором характеристических свойств: определенной пористой структурой, составом поверхностных функциональных групп, прочностью, степенью чистоты и др. Так например, карбонизация древесной коры и последующее активирование углекислым газом позволяет получить дешевый активный уголь, который применяется для обесцвечивания стоков бумажного производства.
Как правило, стоимость углеродных сорбентов - это лимитирующий фактор их крупномасштабного использования. Для очистки газовых выбросов и промстоков целесообразно использовать достаточно дешевые сорбенты, получаемые из доступного, недорогого сырья или отходов производства. Такие сорбенты можно использовать как материалы одноразового применения.
Пожалуй, важный недостаток активного угля - это его горючесть. Нагревать активный уголь в воздушной среде допускается лишь до 200 0С. При более высоких температурах он может загореться. Ввиду этой особенности при работе с ним требуется осторожность, особенно если есть угольная пыль, которая при высоких температурах способна взрываться. Чтобы сделать уголь менее горючим, к нему подмешивают силикагель. Полученная смесь называется силикакарбоном. Содержание SiO2 в силикарбоне настолько незначительно (обычно от 4 до 5%), что не может повлиять на свойства угля.
Так же как и уголь, силикагель нашел обширное техническое применение. Его используют как адсорбент при поглощении и разделении паров органических веществ и газов, при поглощении влаги, осушке газов, в противогазовом деле, как поглотитель веществ, плохо сорбируемых активным углем. По сравнению с углем силикагель механически более прочен, и имеет большой срок службы.


Глава 2. Экспериментальная часть. Влияние кислотности среды на скорость адсорбции активированном углем.
2.1. Определение хода экспериментальной работы
Цель: изучить влияние кислотности среды желудочного сока на скорость адсорбции активированным углем бытовых химических веществ.
Так как вероятность отравления бытовой химии высока среди детей мы решили изучить с какой скоростью адсорбируются общедоступные бытовые химические вещества при различной кислотности среды, так как у различных людей различная кислотность желудочного сока. Кроме этого на кислотность оказывают влияние различные продукты питания. Поэтому , первой задачей экспериментальной части стало: приготовление растворов желудочного сока с различной кислотностью.
Вторая задача: смешать различные бытовые химические вещества с полученными растворами.
Третья задача: определить площади таблеток активированного угля.
Четвертая задача: определить массы исходных образцов активированного угля.
Пятая задача: опустить таблетки на приготовленные растворы и проводить адсорбцию активированным углем различных химических веществ из полученных растворов за определенный период времени
Шестая задача: взвешивать массу угля после адсорбции и вычислять скорости реакции.
2.2. Проведение экспериментальной работы
Оборудование и реактивы: таблетки аптечного активированного угля,4 колбы на 250 мл, таблетки панкреатина, соляная кислота, универсальная индикаторная бумага, ступка с пестиком, мерный цилиндр, 16 химических стаканов, ювелирные весы, средство для снятия лака, раствор мыльных пузырей, раствор этилового спирта, уксус 9%.
Ход работы:
Приготовить в 4 колбах на 250 мл раствор желудочного сока: к 150 мл воды добавить 3 таблетки панкреатина, размолотый в ступке.
Подкислить раствор соляной кислотой. Корректировать кислотность индикаторной бумагой: 1-ая колба- рН=5, 2-ая колба- рН=6, 3-яя колба- рН=7, 4-ая колба- рН=8-слабощелочную среду создали гидрокисдом натрия.(см. приложение 1)
Содержимое каждой колбы налили в четыре стакана по 10 мл каждое. Итого получилось 16 стаканов с растворами.
В первый рад стаканов налили ацетон по 1 мл(средство для снятия лака), во второй ряд- раствор мыльного пузыря, в третий ряд- раствор спирта 95%, в четвертый ряд- уксус (9% раствор уксусной кислоты).(см.приложение 2)
В каждый стакан опустили, заранее взвешенные таблетки активированного угля. Перед этим измеряли и площадь активированного угля. (см.приложение 3)
Через 15 минут содержимое каждого стакана отфильтровали и взвешивали. Ранее определяли массу фильтровальной бумаги до фильтрации. (см.приложение 4)
Результаты внесли в таблицу.
2.3. Результаты экспериментальной работы
№ колбы и рН среды
№ стакана
m1 активированного угля
m фильтровальной бумаги
m2 активированного угля

·m


·.
рН=5
1
0.32
0.88
1.20
0


2
0.29
0.95
1.29
0.05


3
0.29
0.90
1.28
0.03


4
0.30
0.84
1.18
0.04


·
·.
рН=6
1
0.29
0.89
1.22
0.06


2
0.29
0.94
1.26
0.03


3
0.30
0.95
1.29
0.08


4
0.29
0.90
1.23
0.04


·
·
·.
рН=7
1
0.29
0.97
1.30
0.04


2
0.29
0.97
1.28
0.02


3
0.28
1
1.34
0.06


4
0.28
0.98
1.29
0.01


·V.
рН=8
1
0.31
1.01
1.34
0.44


2
0.30
0.99
1.34
0.65


3
0.31
0.97
1.34
0.06


4
0.30
1.01
1.33
0.02

Стакан №1 содержит ацетон
№2- раствор мыльного пузыря,
№3- раствор спирта 95%,
№4- уксус (9% раствор уксусной кислоты).
2.4. Расчеты в экспериментальной части.
Площадь поверхности соприкосновения веществ =22,5 см2
Время воздействия=900 с.

·х.р. = HYPER13 QUOTE HYPER14HYPER15
где
·n – изменение количества вещества S – площадь поверхности раздела фаз
· t – промежуток времени, за который проходила адсорбция.
Формула для вычисления
·
· – изменение количества вещества адсорбированного активированным углем.

где m масса вещества, M молярная масса вещества
Образец №1 Раствор с ацетоном.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]

М(С3Н6О)=58г/моль

рН=5
рН=6
рН=7
рН=8


·n
0
10.34*10-4
6.9*10-4
75.9*10-4


·
·
0
0,051*10-6
0,034*10-6
0,0375*10-6


Образец №2 Раствор мыльного пузыря
СОСТАВ: 515% АПАВ, менее 5% амфотерных ПАВ, глицерин, вода
Анионные ПАВ: натриевая соль карбоновой кислоты

М(АПАВ)=222 г/моль
Амфотерные ПАВ

М(амфотерных ПАВ)=235г/моль
Глицерин М(С3Н8О3)=92.1г/моль
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
М(Н2О)=18г/моль
Средняя молярная масса раствора мыльного пузыря
М(средняя)=(222+235+92+18)/4=141.75 г/моль

рН=5
рН=6
рН=7
рН=8


·n
3.5*10-4
2.1*10-4
1.4*10-4
45.85*10-4


·
·
0,017*10-6
0,010*10-6
0,007*10-6
0,226*10-6


Образец №3 Раствор этилового спирта
СH3СH2OH[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
М(С3Н6О)=46г/моль

рН=5
рН=6
рН=7
рН=8


·n
6.5*10-4
17.4*10-4
13.05*10-4
13.04*10-4


·
·
0,032*10-6
0,86*10-6
0,64*10-6
0,64*10-6


Образец №4 Раствор уксусной кислоты
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
М(С3Н6О)=60г/моль

рН=5
рН=6
рН=7
рН=8


·n
6.7*10-4
6.7*10-4
1.7*10-4
3.3*10-4


·
·
0,033*10-6
0,033*10-6
0,08*10-6
0,016*10-6

Наглядные результаты представлены в виде диаграммы (см. приложение 5)








Заключение
В ходе выполнения исследовательской работы изучили влияние кислотности среды желудочного сока на скорость адсорбции активированного угля.
Для достижения поставленной цели выполнили следующие задачи:
- изучили из литературы адсорбцию, как физико-химический процесс, ознакомиться с применением данного явления;
- на практике изучили явление адсорбции активированным углем различных бытовых химических веществ;
-после проделанной экспериментальной работы, анализировали и делали соответствующие выводы.
Результаты проведенной научно-исследовательской работы показали, что отравление этанолом активированный уголь уменьшает в кислой среде желудка, также как и ацетоном. Отравление мыльным раствором уменьшить активированным углем в кислой среде желудка практически невозможно. В этом случае лучше параллельно принять вещества с щелочным характером.
Таким образом, наша предполагаемая гипотеза, что на скорость адсорбции влияет кислотность среды желудка подтвердилась.










Литература

Габриелян О.С., В.В.Белоногов, Г.У.Белоногова. Поверхностные явления: 10-11 класс. – М. : Дрофа, 2008. - 109 с.
Рабинович В.А., Хавин З.Я. Краткий химический справочник.- Л. : Химия, 1991. - 430с.
Фримантл М. Химия в действии. Часть 1. -М.: Мир, 1998. - 528 с.
Храмов В.А., Гиззатова Г.Л., Гурина Е.Ю. Простые опыты по адсорбции.// Химия в школе. – 2007. - №4. - С.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]
http://ru.wikipedia.org/wiki/Адсорбция


















HYPER13 EMBED MSGraph.Chart.8 \s HYPER14HYPER15








HYPER13 PAGE \* MERGEFORMAT HYPER1418HYPER15




S^* + P \leftrightarrow S-P K =\frac{[S-P]}{[S^*][P]} \theta =\frac{\alpha\cdot P}{1+\alpha\cdot P}[S-P] =\theta K =\frac{\theta}{(1-\theta)P}Root Entry_-* #,##0_р_._-;\-* #,##0_р_._-;_-* "-"_р_._-;_-@_-О{,;
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·_-* #,##0.00_р_._-;\-* #,##0.00_р_._-;_-* "-"??_р_._-;_-@_-1 
·
·мыльный растворHYPER15уксусная кислота

Приложенные файлы

  • doc ugol
    Размер файла: 216 kB Загрузок: 4