Отчет по выполнению лабораторных работ по дисциплине физическая и коллоидная химия
 Скачать 5.83 Mb.
|
|
Вывод: В результате данной работы были рассчитаны константы уравнения Лэнгюмора для данной пары веществ: Г∞= 19,19385797 В = 59,54894434 Полученные изотермы адсорбции (теоретическая и экспериментальная) довольно хорошо коррелируются, значит, для описания адсорбции из растворов на твёрдом адсорбенте действительно можно использовать уравнение Лэнгмюра. Оценка 2б  Лабораторная работа №1.1 «Изучение поверхностного натяжения растворов на границах раздела газ/жидкость и жидкость/жидкость.» А. Измерение поверхностного натяжения раствора ПАВ на границе с воздухом Цель работы: определить параметры адсорбционного слоя (предельную адсорбцию Γ, толщину адсорбционного слоя l и площадь S0, приходящуюся на 1 молекулу ПАВ в адсорбционном слое, поверхностное натяжение ). Оценка достоверности расчетов Краткая теоретическая часть: ссылка? В работе используется простой и достаточно точный метод определения величины поверхностного натяжения на границе газ/жидкость – метод максимального давления проскакивания пузырька газа через капилляр, касающийся поверхности жидкости. Метод был предложен П.А. Ребиндером. Схема прибора, основанного на этом методе, представлена на рисунке 1.2.  В сосуд 1 заливают исследуемую жидкость. Через пробку сосуда 1 проходит стеклянная трубка 2 с капиллярным кончиком. Для создания разрежения в сосуде 1 используют водный аспиратор 4. Величина разрежения измеряется по разности уровней в жидкостном манометре 3, в котором манометрической жидкостью служит толуол. Этот прибор позволяет определять поверхностное натяжение на границе раздела жидкость/газ с точностью 0,20,5%. Поверхностное натяжение на границе раздела жидкость/газ прямо пропорционально давлению, соответствующему медленному и равномерному проскакиванию пузырьков газа (воздуха) через капиллярный кончик, который должен лишь касаться поверхности исследуемой жидкости. Глубину погружения капилляра устанавливают вертикальным перемещением капиллярной трубки. Равномерное проскакивание пузырьков воздуха достигается регулированием с помощью крана 7 скорости истечения воды из аспиратора 4. Максимальное давление проскакивания пузырька воздуха зависит от радиуса капилляра. Для того чтобы не определять радиус капилляра, измерения проводят относительно стандартной (эталонной) жидкости, для которой известно точное значение поверхностного натяжения при температуре опыта. Величину поверхностного натяжения исследуемого раствора вычисляют по уравнению:  ,где i=1, 2,…n (i – номер исследуемого раствора); h0 – разность уровней толуола в коленах манометра для стандартной жидкости; hi – разность уровней толуола в коленах манометра для i-го исследуемого раствора. В качестве стандартной жидкости берут дистиллированную воду, точное значение поверхностного натяжения которой известно для широкого диапазона температур. При температуре 20°С для воды 0= 72,75 мДж/м 2 (72,75 эрг/см 2 ). Таким образом, работа сводится к определению показаний манометра (h0) для стандартной жидкости (дистиллированной воды) и исследуемого раствора (hi). Некоторые вещества способны понижать поверхностное натяжение жидкостей. Такие вещества называются поверхностно-активными (ПАВ). По отношению к воде поверхностно-активными являются карбоновые кислоты, спирты, альдегиды, амины, белки и некоторые другие органические соединения. Схематически строение молекулы ПАВ изображают следующим образом: . Кружочек обозначает полярную группу, а «хвост» – неполярную углеводородную часть. Такое строение молекулы ПАВ называется дифильным, то есть молекула обладает сродством к двум различным по полярности фазам (фильность – сродство). Молекулы ПАВ способны ориентироваться (адсорбироваться) на границах раздела фаз, выравнивая полярности этих фаз и, тем самым, снижая поверхностное натяжение между ними. Вещества, которые не изменяют или повышают поверхностное натяжение на границах раздела фаз, называются индифферентными и поверхностноинактивными (ПИВ) соответственно. По отношению к воде такими веществами являются сахара (они не изменяют воды) и неорганические соли, основания, кислоты (незначительно повышают воды). Американский ученый Дж. У. Гиббс вывел уравнение, описывающее процесс адсорбции ПАВ на границах раздела жидкость/газ и жидкость/жидкость:  где Г – адсорбция, (моль/см 2 или моль/м 2 ); – поверхностное натяжение (эрг/см 2 или Дж/м 2 ); С – концентрация раствора (моль/л, моль/м 3 ); Т – температура, К; R – универсальная газовая постоянная, Дж/мольК. Поверхностно-активные вещества широко используются в нефтяной промышленности. В частности, в бурении и при эксплуатации скважин они применяются для увеличения нефтеотдачи коллекторов, вскрытия пластов, предотвращения обвалов при бурении скважин, улучшения условий освоения нефтяных скважин, повышения их продуктивности и приемистости, предотвращения образования эмульсий в нефтяных скважинax и для деэмульгирования нефти, борьбы с коррозией нефтепромыслового оборудования, понижения твердости разбуриваемых пород, в качестве регуляторов срока схватывания при цементировании скважин. Прикладное значение поверхностно-активных веществ (ПАВ) в нефтегазовой отрасли промышленности обусловлено необходимостью повышения коэффициента извлечения нефти (КИН) пластов, который чаще всего не превышает 50% при благоприятных физико-геологических условиях. Существует множество методов увеличения нефтеотдачи пластов и повышения КИН, среди которых определенное распространение получил метод физико-химического заводнения с применением полимеров и ПАВ. Указанные процессы сопровождаются комплексом физико-химических микропроцессов, от понимания которых зависят методы разработки нефтяных месторождений, а также степень извлечения углеводородного сырья из пласта. C увеличением температуры значение поверхностного натяжения снижается и при температуре, близкой к критической, становится равным нулю. Изотерма поверхностного натяжения (рисунок 1.3 а), изотерма адсорбции Г = f (С) (рисунок 1.3 б).  Статические методы определения поверхностного натяжения. 1. Метод поднятия жидкости в капилляре. Метод основан на определении высоты столба жидкости h в капилляре с радиусом r при полном смачивании. Поверхностное натяжение рассчитывают по формуле: σ= ρghr/2, (1.3) где ρ - плотность жидкости; g - ускорение силы тяжести. 2. Метод Вильгельми. В данном методе определяется сила, которая необходима для уравновешивания тонкой пластинки шириной d, погруженной в жидкость; обычно используется полностью смачиваемая жидкостью пластинка и поверхностное натяжение рассчитывается из выражения: σ = F/2d , (1.4) где F - сила, втягивающая пластинку в жидкость, за вычетом веса пластинки. 3. Метод лежачей капли. Основан на измерении геометрических параметров равновесной капли, форма которой определяется соотношением плотности и поверхностного натяжения жидкости. Для определения поверхностного натяжения по результатам измерений геометрических параметров капли с требуемой точностью используются специальные таблицы или проводится расчет численными методами. Динамические методы определения поверхностного натяжения. 1. Метод Дю-Нуи (метод отрыва кольца). Является одним из наиболее распространенных методов определения поверхностного натяжения жидкостей. Связь поверхностного натяжения с силой F, необходимой для отрыва от поверхности жидкости тонкого кольца радиусом R, хорошо смачиваемого жидкостью (краевой угол смачивания = 0 град), описывается выражением: σ= kF/4R , (1.5) где величина k зависит от соотношения радиуса кольца и толщины проволоки, из которой оно сделано, а также от поверхностного натяжения жидкости; однако последняя зависимость достаточно слабая, что позволяет с удовлетворительной надежностью использовать этот метод как относительный: σ= σэ . F/Fэ , (1.6) где величины σэ и Fэ относятся к эталонной жидкости. 2. Сталагмометрический (метод счета капель). Применяется в основном для определения поверхностного натяжения на границе жидкость/жидкость (например, нефть/вода). Метод основан на измерении числа капель индивидуального углеводорода (например, октана) при его истечении из сталагмометра с загнутым хвостиком, проходящих через слой воды, а затем в следующем опыте через слой раствора ПАВ в воде. 3. Метод максимального давления пузырька (метод П.А. Ребиндера). Основан на измерении максимального значения капиллярного давления Р = 2σ/r0, возникающего при образовании на срезе капилляра пузырька сферической формы; это максимальное давление определяется радиусом капилляра ro. Метод чаще всего используется как относительный, и поверхностное натяжение исследуемой жидкости определяется по отношению значений максимальных давлений Р исследуемой и Рэ эталонной жидкостей (для водных растворов ПАВ эталонной жидкостью является вода) или из соотношения соответствующих высот поднятия манометрической жидкости h/hэ . Экспериментальная часть: Полученные экспериментальные данные:
Величину поверхностного натяжения для каждого исследуемого раствора вычисляют по уравнению: По полученным результатам строят график зависимости = f (С). Так как все измерения проводились при постоянной температуре, то полученная кривая носит название изотермы поверхностного натяжения:  Экспериментальная кривая = f (С) и уравнение адсорбции Гиббса  позволяют графическим методом вычислить величину адсорбции Г на границе раздела фаз раствор ПАВ/воздух при различных концентрациях ПАВ в растворе и построить изотерму адсорбции Г = f (С). Для построения изотермы адсорбции к разным точкам изотермы поверхностного натяжения, лучше к точкам наибольшей кривизны, проводят касательные до пересечения с осью ординат Строим касательные:  Кривуая нелекальная! Дополняем исходную таблицу:
 Красной линией обозначим (предельная адсорбция).  Зная , по формуле  вычисляют площадь, приходящуюся на одну молекулу в адсорбционном слое (NA – число Авогадро), а из , молекулярного веса М и плотности d растворенного вещества определяют толщину адсорбционного слоя l. Если теория Лэнгмюра для мономолекулярного адсорбционного слоя на границе раздела жидкость/газ верна, то l будет соответствовать длине молекулы, рассчитываемой по формуле:  . М=74∙  кг/мольd=810 кг/  l=6,1∙  мУравнение Лэингмюра: A=  =14,7∙ /мольB=  =9,2∙ /мольС/Г=(14,7С+9,2)∙ /мольНет графика для опр Гпред Вывод: В ходе лабораторной работы была определена величина поверхностного натяжения на границе раздела газ/жидкость с помощью метода максимального давления проскока пузырька газа через капилляр, касающийся поверхности жидкости, была построена изотерма адсорбции и изотерма поверхностного натяжения, которые соответствуют литературным, кроме того, была рассчитана толщина адсорбционного слоя l=6,1∙ м, площадь приходящаяся на одну молекулу ПАВ , предел адсорбции = /моль. Размерность не таНе определена достоверность расчетов  Список использованных источников: Лабораторный практикум по физической химии [Электронный ресурс]: учебное пособие для бакалавров / Сваровская Н.А., Фролов В.И., Стыценко В.Д., Новиков А.А., Митюк Д.Ю., Бабаев С.Н.; под редакцией В.А. Винокурова. – М.: РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина, 2018. 2. В.А. Любименко, Д. Ю. Митюк, В. И. Фролов, В. А. Винокуров Практикум по курсу «Физическая и коллоидная химия»: учебное пособие. 3-е изд., перераб., испр. и доп.– М.: ФГУП «Нефть и газ», РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина, 2013. – 125 с. Оценка 2б |