Адсорбция на границе раздела твердое тело – жидкий раствор – это процесс самопроизвольного увеличения концентрации растворенного вещества вблизи поверхности твердого адсорбента. Этот вид адсорбции осложняется не только особенностями твердой поверхности адсорбентов, но и тем, что при адсорбции из растворов происходит одновременная адсорбция как растворителя, так и растворенного вещества.
На границе твердое тело – раствор различают два вида адсорбции – молекулярную, или адсорбцию неэлектролитов, когда твердое тело адсорбирует молекулы адсорбтива, и адсорбцию ионную, когда адсорбент избирательно адсорбирует из раствора электролита один из видов ионов.
Количественно адсорбцию растворенного вещества на твердом адсорбенте оценивают следующим уравнением:
где a – количество вещества, адсорбированного одним граммом адсорбента, моль/г; m – масса адсорбента, г; – начальная концентрация раствора, моль/дм3; – равновесная концентрация раствора после адсорбции, моль/дм3; V – объем раствора адсорбтива, дм3.
В области средних концентраций адсорбтива адсорбция растворенного вещества на твердом адсорбенте описывается уравнением Фрейндлиха:
где , 1/n – эмпирические константы, зависящие от природы адсорбента и адсорбтива, значения которых находят экспериментально. Для того чтобы определить значения и 1/n, уравнение Фрейндлиха логарифмируют, преобразуя его в линейное:
Тогда, построив график зависимости lga = f( ), получают прямую линию, которая отсекает на оси ординат отрезок, равный , а тангенс угла равен 1/n (рис. 13).
Для описания адсорбции из раствора на твердом адсорбенте применимо также уравнение Ленгмюра:
Наряду с концентрацией раствора на адсорбцию из раствора на твердом адсорбенте влияют природа растворителя, растворенного вещества, адсорбента, время адсорбции и температура.
Так как молекулы растворителя и растворенного вещества конкурируют при адсорбции, то, чем хуже адсорбируется растворитель, тем лучше будет адсорбироваться растворенное вещество. Правило Шилова гласит: чем лучше растворитель растворяет вещество, тем хуже это вещество адсорбируется из раствора.
Для прогнозирования адсорбции с учетом влияния природы растворителя и растворенного вещества используют правило уравнивания полярностей Ребиндера, которое говорит о том, что процесс адсорбции протекает в сторону уравнения полярности фаз и тем сильнее, чем больше первоначальная разность полярностей. Таким образом, чем больше разность полярностей между растворителем и адсорбентом, тем лучше растворенное вещество будет адсорбироваться. Именно на этом свойстве основано практическое применение полярных адсорбентов (силикагель, оксид алюминия) для адсорбции малополярных дифильных молекул (спиртов, карбоновых кислот) из неполярных сред и неполярных адсорбентов (уголь) для адсорбции тех же веществ из полярных сред. Например, масляную кислоту из бензола необходимо адсорбировать на силикагеле, а из воды – на угле или гидрофобном силикагеле с привитыми алкильными группами.
V1н1 = V2н2.
Или
н1•100 = 6,25•0,08; н1=0,005 моль/дм3.
Таким образом, в 1 дм3 исследуемой воды содержится 0,005•1000 = =5 мэкв Ca2+ - ионов. Карбонат-
ная жесткость воды составит 5 мэкв/дм3.
Приведенные примеры решают, применяя формулу:
Ж = m/МэV, (7.1.1)
где Ж - жесткость воды, мэкв/дм3; m - масса вещества, обусловливающего жесткость воды или приме-
няемого для ее устранения, мг; Мэ - эквивалентная масса этого вещества, г/моль; V - объем воды, дм3.
Решение примера 147 По формуле (7.1.1) получим: Ж = = 202500/81•500 = 5 мэкв/дм3 (81 - экви-
валентная масса Ca(HCO3)2, равная половине его мольной массы).
Решение примера 148 По формуле (7.1.1) получим:
m = 4•68,07•1000 = 272280 мг = 272,280 г CaSO4.
П р и м е р 151* При полном термическом разложении смеси нитрата натрия и карбоната кальция
получили смесь газов объемом 11,2 дм3 (н.у.) с плотностью по водороду равной 16,5. Определите массу
исходной смеси.
Решение
t
1) 2NaNO3 = 2NaNO2+O2↑
t
2) CaCO3 = CaO+CO2↑
M(CO2) = 44 г/моль; M(O2) = 32 г/моль; M(CaCO3) = 100 г/моль;
M(NaNO3) = 85 г/моль.
Из условия задачи найдем Mгазов = 16,5•2 = 33 г/моль. Пусть x - объем кислорода, выделяющегося по
реакции (1). Тогда (11,2 - x) - объем диоксида углерода, образующийся по реакции (2). Следовательно:
32x + 44(11,2 - x) = = 33•11,2. Откуда x = 10,27 дм3 кислорода; объем диоксида углерода равен 11,20 -
10,27 = 0,93 дм3.
Количество кислорода 10,27/22,4 = 0,4584 моль, диоксида углерода - 0,93/22,4 = 0,0415 моль. Из
уравнений реакций (1, 2) следует, что разлагается 0,9168 моль нитрата натрия или 0,9168•85 = 77,928 г и
0,0415 моль карбоната кальция или 0,0415•100 = 4,150 г. Общая масса смеси веществ составит 77,928 +
4,150 = 82,078 г.
П р и м е р 152* Сплав магния и кальция массой 19,2 г прокалили в токе азота. Полученные про-
дукты обработали сначала соляной кислотой, а потом избытком раствора щелочи. При этом выделился
газ объемом 8,96 дм3 (н.у.). Определите состав сплава в массовых долях (ω, %).
Решение
1) 3Сa + N2 = Cа3N2
2) 3Mg + N2 = Mg3N2
3) Ca3N2+6HCl = 3CaCl2+2NH3↑
4) Mg3N2+6HCl = 3MgCl2+2NH3↑
M(Ca) = 40 г/моль; M(Mg) = 24 г/моль.
Пусть масса кальция в сплаве равна x г, тогда масса магния составит (19,2 - x) г. Из уравнений (1, 3)
следует, что 3 моль Ca → 2 моль NH3, а из уравнений (2, 4): 3 моль Mg → 2 моль NH3. Объем аммиака
составит:
2•22,4x/3•40 + 2•22,4(19,2-x)/3•24 = 8,96. Откуда x = 12 г.
Тогда ω(Mg) = 12•100/19,2 = 62,5 %, а ω(Ca) = 37,5 %.
Задачи
597 Напишите уравнения реакций, в результате которых можно осуществить следующие превра-
щения:
а) NaCl → NaOH → Na2CO3 → NaHCO3 → NaNO3 → NaNO2;
б) NaCl → Na → NaH → NaOH → NaHCO3;
в) CaCl2 → Ca→ CaO→ Ca(OH)2→ CaCO3 → Ca(HCO3)2 → CaCO3 → CaCl2;
г) CaO → Ca(OH)2 → Ca3(PO4)2 → H3PO4 → Na2HPO4 → Na3PO4;
д) ацетат магния → гидроксид магния → оксид магния → магний → → нитрат магния;
е) кальций → нитрид кальция → гидроксид кальция → хлорид кальция → нитрат кальция.
598 Закончите уравнения реакций:
1 Na2O2 + KI + H2SO4 →
2 Na2O2 + KMnO4 + H2SO4 →
3 Na2O2 + CO2 →
4 NaI + H2O2 →
5 H2O2 + KMnO4 + H2SO4 →
6 NaCrO2 + H2O2 + NaOH →
7 K4[Fe(CN)6] + H2O2 + H2SO4 →
8 H2O2 + K2Cr2O7 + H2SO4 →
9 PbS + H2O2 →
10 CaH2 + O2 →
11 CaH2 + Cl2 →
12 CaH2 + H2O →
13 Be(OH)2 + NaOH →
14 Mg + HNO3(разб) →
15 KMnO4 + H2O2 →
599 Какой объем займет водород (н.у.), полученный из пакета, содержащего гидрид лития массой
40 кг?
600 Сплав лития и магния растворили в разбавленной соляной кислоте. Определите состав сплава
в массовых долях (%), если масса выделившегося газа составила 10 % от массы сплава.
601 При взаимодействии гидрида металла(I) c водой массой 100 г получился раствор с массовой
долей вещества в нем 2,38. Масса конечного раствора оказалась на 0,2 г меньше суммы масс воды и ис-
ходного гидрида. Определите какой гидрид был взят?
602 Взаимодействием кальцинированной соды массой 10,0 т с гашенной известью получена кау-
стическая сода массой 6,7 т. Определите выход продукта (%).
603 Какую массу карбоната натрия надо прибавить к 800 дм3 воды, чтобы устранить жесткость,
равную 6 мэкв/дм3?
604 Вычислите карбонатную жесткость воды, зная что для реакции с гидрокарбонатном магния,
содержащимся в 500 см3 воды требуется 20 см3 0,12 н. раствора HCl.
Адсорбция на границе раздела твердое тело – жидкий раствор – это процесс самопроизвольного увеличения концентрации растворенного вещества вблизи поверхности твердого адсорбента. Этот вид адсорбции осложняется не только особенностями твердой поверхности адсорбентов, но и тем, что при адсорбции из растворов происходит одновременная адсорбция как растворителя, так и растворенного вещества.
На границе твердое тело – раствор различают два вида адсорбции – молекулярную, или адсорбцию неэлектролитов, когда твердое тело адсорбирует молекулы адсорбтива, и адсорбцию ионную, когда адсорбент избирательно адсорбирует из раствора электролита один из видов ионов.
Количественно адсорбцию растворенного вещества на твердом адсорбенте оценивают следующим уравнением:
где a – количество вещества, адсорбированного одним граммом адсорбента, моль/г; m – масса адсорбента, г; – начальная концентрация раствора, моль/дм3; – равновесная концентрация раствора после адсорбции, моль/дм3; V – объем раствора адсорбтива, дм3.
В области средних концентраций адсорбтива адсорбция растворенного вещества на твердом адсорбенте описывается уравнением Фрейндлиха:
где , 1/n – эмпирические константы, зависящие от природы адсорбента и адсорбтива, значения которых находят экспериментально. Для того чтобы определить значения и 1/n, уравнение Фрейндлиха логарифмируют, преобразуя его в линейное:
Тогда, построив график зависимости lga = f( ), получают прямую линию, которая отсекает на оси ординат отрезок, равный , а тангенс угла равен 1/n (рис. 13).
Для описания адсорбции из раствора на твердом адсорбенте применимо также уравнение Ленгмюра:
Наряду с концентрацией раствора на адсорбцию из раствора на твердом адсорбенте влияют природа растворителя, растворенного вещества, адсорбента, время адсорбции и температура.
Так как молекулы растворителя и растворенного вещества конкурируют при адсорбции, то, чем хуже адсорбируется растворитель, тем лучше будет адсорбироваться растворенное вещество. Правило Шилова гласит: чем лучше растворитель растворяет вещество, тем хуже это вещество адсорбируется из раствора.
Для прогнозирования адсорбции с учетом влияния природы растворителя и растворенного вещества используют правило уравнивания полярностей Ребиндера, которое говорит о том, что процесс адсорбции протекает в сторону уравнения полярности фаз и тем сильнее, чем больше первоначальная разность полярностей. Таким образом, чем больше разность полярностей между растворителем и адсорбентом, тем лучше растворенное вещество будет адсорбироваться. Именно на этом свойстве основано практическое применение полярных адсорбентов (силикагель, оксид алюминия) для адсорбции малополярных дифильных молекул (спиртов, карбоновых кислот) из неполярных сред и неполярных адсорбентов (уголь) для адсорбции тех же веществ из полярных сред. Например, масляную кислоту из бензола необходимо адсорбировать на силикагеле, а из воды – на угле или гидрофобном силикагеле с привитыми алкильными группами.