III. Учебные материалы. Для проведения практического занятия по учебной дисциплине

МЕТОДИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА

для проведения практического занятия по учебной дисциплине

«Физика поверхности»

Тема: Поверхностные явления

Практическое занятие. Адсорбция на твердой поверхности.

Саратов – 2013

Тема: Поверхностные явления и адсорбция

Практическое занятие. Адсорбция на твердой поверхности.

Учебно-материальное обеспечение:

а) Литература:

1. Гуртов В.А. Твердотельная электроника: учеб. пособие. – 3-е изд. доп. – Москва: Техносфера 2005. – 512 с.

2. Шершавина А.А. Физическая и коллоидная химия. Методы физико-химического анализа: учеб. пособие/ А.А. Шершавина. – М.: Новое знание, 2005. – 800 c.

3. Хмельницкий Р.А. Физическая и коллоидная химия. – М.: Высш.шк., 1988. – с. 267 – 276.

4. Введение в физику поверхности / К. Оура [и др.]. – М.: Наука, 2006, – 492 с. *

5. Праттон, М. Введение в физику поверхности / М. Праттон. – Ижевск: Изд-во «РХД», 2000. – 256 с.

6. Киселев, В.Ф. Основы физики поверхности твердого тела / В.Ф. Киселев, С.Н. Козлов, А.В. Зотеев. – М.: Изд-во МГУ, 1999. – 248 с. *

7. Зенгуил, Э. Физика поверхности / Э. Зенгуил. – М.: Мир, 1990. – 536 с.

8. Пичугин, В.Ф. Материаловедение поверхности и тонких плёнок / В.Ф. Пичугин. – Томск: Изд-во ТПУ, 2008. – 139 с.

9. Моррисон, С. Химическая физика поверхности твердого тела / С. Моррисон. – М.: Мир, 1980. – 488 с.

10. Хофман, Р. Строение твердых тел и поверхностей (Взгляд химика-теоретика) / Р. Хофман. – М.: Мир, 1990. – 216 с. *

11. Васильев, М.А. Структура и динамика поверхностей переходных металлов / М.А.Васильев. – Киев: Наукова Думка, 1988. – 248 с.

12. Лифшиц, В.Г. Процессы на поверхности твердых тел / В.Г. Лифшиц, С.М. Репинский. – Владивосток: Дальнаука, 2003. – 704 с.

13. Вудраф, Д. Современные методы исследования поверхности / Д. Вудраф, Т. Делчар. – М.: Мир, 1989. – 568 с. *

14. Фелдман, Л. Основы анализа поверхности и тонких пленок /Л. Фелдман, Д. Майер. – М.: Мир, 1989. – 341 с. *

б) Тексты задач для решения.

в) Технические средства обучения: микрокалькуляторы.

I. УЧЕБНЫЕ ВОПРОСЫ И РАСЧЕТ ВРЕМЕНИ

II. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

1. Общие организационно-методические указания.

В конце предыдущей лекции до студентов доводится задание на данное практическое занятие: необходимо изучить материал соответствующей лекции и проработать основные теоретические вопросы по теме «Адсорбция», выучить расчетные формулы (уравнения Генри, Фрейндлиха, Ленгмюра). Предлагаемые для подготовки к занятию литература и вопросы приведены ниже.

Литература

1. Лекции по теме «Адсорбция».

2. Хмельницкий Р.А. Физическая и коллоидная химия. – М.: Высш.шк., 1988. – с. 267 – 276.

3. Шершавина А.А. Физическая и коллоидная химия. Методы физико-химического анализа: учеб. пособие/ А.А. Шершавина. – М.: Новое знание, 2005. – 800 c.

Вопросы для теоретической подготовки к занятию

1. Что такое адсорбция? В каких единицах она выражается? Что такое адсорбент, адсорбтив, десорбция?

2. На каких поверхностях раздела фаз может происходить адсорбция?

3. От каких параметров зависит величина адсорбции?

4. Как выглядит изотерма мономолекулярной адсорбции? В каких координатах она строится? Из каких трех участков состоит изотерма адсорбции?

5. Как можно построить изотерму адсорбции?

6. Какими уравнениями описывается изотерма адсорбции?

2. По вводной части.

Цель занятия – научить cтудентов строить изотермы адсорбции и рассчитывать величину адсорбции, используя основные уравнения адсорбции.

При рассмотрении первого учебного вопроса целесообразно основное внимание уделить построению графиков изотерм адсорбции по экспериментально найденным значениям.

При рассмотрении второго учебного вопроса целесообразно основное внимание уделить нахождению величины адсорбции аналитическим путем по уравнениям Фрейндлиха и Ленгмюра.

3. По проверке готовности студентов к занятию.

Преподаватель проводит краткий теоретический опрос по следующим вопросам (количество и формулировка вопросов – по усмотрению преподавателя):

1. Что такое адсорбция? В каких единицах она выражается? Что такое адсорбент, адсорбтив, десорбция?

(Адсорбция - процесс концентрирования (изменения концентрации) веществ на границе раздела фаз. Обозначается А. Адсорбент – более плотная фаза, на поверхности которой происходит адсорбция. Адсорбтив – вещество, молекулы которого могут адсорбироваться на поверхности адсорбента. Десорбция – процесс, обратный адсорбции, то есть уход молекул адсорбтива с поверхности адсорбента. Размерность может быть разной - моль / м², моль / кг, кг/кг.)

2. На каких поверхностях раздела фаз может происходить адсорбция?

(на границе «твердое тело – газ», «твердое тело - раствор», «раствор – газ»)

3. От каких параметров зависит величина адсорбции?

(от давления газа, если адсорбируется газ на твердой поверхности или от концентрации растворенного вещества, если адсорбируется растворенное вещество на твердом адсорбенте, а также от темперетуры)

4. Как выглядит изотерма мономолекулярной адсорбции? В каких координатах она строится? Из каких трех участков состоит изотерма адсорбции?

(Изотермой адсорбции называется зависимость величины адсорбции А от концентрации растворенного вещества С (при адсорбции этого вещества на твердых или жидких поверхностях) или от парциального давления газа Р (при адсорбции газов и паров) при постоянной температуре; изображается графически в виде кривой А = f (С) или А = f(Р), состоит из трех участков).

5. Как можно построить изотерму адсорбции?

(изотерму адсорбции строят по нескольким экспериментальным точкам и плавно соединяют).

6. Какими уравнениями описывается изотерма адсорбции?

(уравнения Фрейндлиха: А = х/m = KP^{1/ n} (для газа или пара), А = х/m = b ^. С^{1/ n} (для растворенного вещества),

уравнения Ленгмюра: А = А_¥ , А = А_¥ )

 

Вопросы 1-5 целесообразно рассмотреть при изучении первого учебного вопроса, вопрос 6 - при изучении второго учебного вопроса.

 

4. По отработке учебных вопросов.

а) По отработке первого учебного вопроса: «Построение изотерм адсорбции».

 

При отработке первого учебного вопроса особое внимание уделяется правилам построения графиков, выбору масштаба, нанесению на график экспериментальных точек. Предлагается построить 3 изотермы адсорбции различных газообразных веществ на активированном угле (Задача 1). Изотермы желательно построить на одном графике (на доске). Для построения изотерм по очереди вызывают трех курсантов. После построения всех изотерм необходимо обратить внимание на то, что общий вид изотерм – одинаковый, но крутизна разная, остановится на причинах того, почему изотермы идут по-разному. При обсуждении изотерм адсорбции необходимо, чтобы студенты поняли, что изотерма строится для того, чтобы по ней можно было найти количество адсорбировавшегося вещества при любом давлении газа (или концентрации растворенного вещества). Однако по нескольким экспериментальным точкам трудно построить точную изотерму, поэтому чаще для расчета величины адсорбции используют уравнения, которые математически описывают зависимость адсорбции от концентрации (или давления газа).

 

б) По отработке второго учебного вопроса: «Адсорбция на твердой поверхности».

При отработке второго учебного вопроса сначала разбираются основные уравнения, описывающие зависимость величины адсорбции от давления или от концентрации - уравнения Фрейндлиха (эмпирическое) и уравнение Ленгмюра (теоретическое). Уравнение Генри справедливо только для первого участка изотермы.

После разбора основных формул силами студентов на доске решаются расчетные задачи. Цель решения задач – на основании проведенных расчетов показать студентам, что если есть математическое выражение для изотермы адсорбции, то легко рассчитать величину адсорбции при любом давлении или концентрации.

Если достаточно времени, то можно решить и прикладные задачи.

5. По заключительной части.

В конце занятия преподаватель оценивает работу группы в целом и работу отдельных студентов, выставляет оценки в журнал, дает задание на самостоятельную работу.

III. УЧЕБНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

1. Учебные материалы по первому учебному вопросу: «Построение изотерм адсорбции».

 

Задача № 1.. Экспериментально найдена величина адсорбции газов (мм³) на 1 г угля при нескольких значениях парциального давления газов (таблица 1). Исходя из данных таблицы, постройте изотермы адсорбции различных газов на активированном угле. Проанализируйте полученные изотермы адсорбции. Что в них общего и чем они различаются? Найдите по изотерме величину адсорбции газов при при парциальном давлении 20^. 10³ Па.

Таблица 1. Результаты экспериментального определения величины адсорбции

р. 10-3, Па	V(N2), мм3/ г	V(CO2), мм3/ г	V(C2H4), мм3/г
1, 6	0, 3
2, 0
4, 2
5, 3
8, 1
10, 6
11, 7
16, 5
17, 3
24, 0
30, 0

 

Решение:

Изотерма адсорбции строится в координатах А = f(Р). Строим координатные оси. По оси х откладываем давление Р, по оси у - объем адсорбировавшегося газа V. Максимальное значение давления – 30 ^. 10³ Па, максимальное значение объема – 42 мм³/ г. Наносим масштабные единицы. По очереди строим изотермы для трех газов (рис.1).

V

P

 

Рис.1. Изотермы адсорбции

 

Из графика видно, что крутизна графиков зависит от природы адсорбирующегося газа. Лучше всех адсорбируется этилен, хуже углекислый газ и совсем плохо – азот. А общий вид графиков – однотипный.

 

По графику определяем величину адсорбции при 20^. 10³ Па:

3, 5 мм³ – азот, 36 мм³ СО₂, 40 мм³ – этилен.

Необходимо обратить внимание, что по изотерме адсорбции получаются приблизительные значения.

 

2. Учебные материалы по второму учебному вопросу: «Адсорбция на твердой поверхности».

 

Задача № 2. Зависимость величины адсорбции аргона на угле подчиняется уравнению Фрейндлиха. Вычислите величину адсорбции аргона на угле (см³ / г) при 78⁰ С, если давление аргона равно 75, 8 мм рт. ст., К = 3, 698, 1/n = 0, 6024.

 

Решение:

Для расчета величины адсорбции применяем уравнение Фрейндлиха:

А = х/m = KP^{1/ n} = 3, 698^. 75, 8 ^{0, 6024} = 50 см³/ г.

 

Ответ: при давлении аргона 75, 8 мм рт. ст. на 1 г угля адсорбируется 50 см³ аргона.

 

Задача № 3. Для очистки воды от амилового спирта используется активированный уголь. Зависимость величины адсорбции амилового спирта на угле (моль/кг) от концентрации амилового спирта в воде подчиняется уравнению Ленгмюра:

А = А_¥ = 7, 5 ^. .

Вычислите, сколько моль (и сколько граммов) амилового спирта адсорбировалось на 1 кг угля, если концентрация амилового спирта составила 3, 1 моль/ м³; 5, 6 моль/ м³.

 

Решение:

Для расчета величины адсорбции применяем уравнение Ленгмюра, в котором известны константы А_¥ и К:

 

А = 7, 5 ^. = 7, 5 ^. = 1, 78 моль/ кг.

 

Рассчитаем массу амилового спирта.

Молярная масса равна 90 г/моль.

Масса спирта m = M ^. n = 90 г/ моль ^. 1, 78 моль/ кг = 160, 2 г/кг.

Аналогично рассчитаем для другой концентрации амилового спирта:

 

А = 7, 5 ^. = 7, 5 ^. = 2, 69 моль/ кг,

 

m = M ^. n = 90 г/ моль ^. 2, 69 моль/ кг = 242, 1 г/кг.

 

Ответ: при концентрации амилового спирта в растворе 3, 1 моль/ м³ 1 кг угля адсорбирует 1, 78 моль спирта или 160, 2 г; при концентрации амилового спирта в растворе 5, 6 моль/ м³ 1 кг угля адсорбирует 2, 69 моль спирта или 242, 1 г.

Задача № 4. Одна молекула аммиака занимает на поверхности угля площадь – 4^. 10^{-20 м2}. Вычислите, сколько молекул (и моль) аммиака может адсорбироваться на 200 г угля, если активная поверхность угля – 1000 м² на 1 г угля.

Решение:

1) Вычислим общую площадь 200 г угля:

S = 1000 м^2. m = 1000 м^2. 200 г = 2^. 10⁵ м².

2) Вычислим число молекул, разделив общую площадь на площадь одной молекулы:

N = 2^. 10⁵ м²: 4^. 10^{-20 м2} = 8^. 10²⁵ молекул.

3) Рассчитаем число молей аммиака, разделив число молекул на число Авогадро:

n = N: N_A = 8^. 10²⁵: 6, 02^. 10²³ = 133 моль.

Ответ: 200 г угля могут адсорбировать 8^. 10²⁵ молекул или 133 моль аммиака.