Фамилия, имя автора статьи (полностью): Класс (курс): Название ОУ (полностью):

Фамилия, имя автора статьи (полностью): Разорёнов Фёдор Алексеевич
Класс (курс): 9 класс
Название ОУ (полностью): Государственное бюджетное общеобразовательное
учреждение средняя общеобразовательная школа №617 Приморского района СанктПетербурга
Фамилия, имя, отчество руководителя (полностью): Митрофанова Анна
Михайловна
Тема работы: Сравнение адсорбционных свойств активированного и белого угля
e-mail: ladyanita@ya.ru
СРАВНЕНИЕ АДСОРБЦИОННЫХ СВОЙСТВ АКТИВИРОВАННОГО И
БЕЛОГО УГЛЯ
Цель работы – сравнить адсорбционные свойства активированного и белого
углей.
Задачи работы – познакомиться с явлением адсорбции, сравнить скорость
адсорбции углей в жидкой фазе, сравнить скорость адсорбции углей в газовой фазе.
Адсорбция – процесс самопроизвольного перераспределения компонентов
системы между поверхностным слоем и объемной фазой, т.е. поглощение одного
вещества поверхностью другого. Происходит, когда молекулы адсорбтива
задерживаются на поверхности адсорбента.
В процессе адсорбции различают адсорбтив, адсорбат, адсорбент. Адсорбтив –
поглощаемое вещество, ещё находящееся в объёме фазы, то есть не полностью
поглощённая жидкость/газ. Адсорбат – полностью поглощённое вещество.
Адсорбент – поглощающее вещество.
Адсорбция является частным случаем сорбции. Процесс, обратный адсорбции
– десорбция. Когда скорость поглощения вещества равна скорости выделения
вещества обратно в объём фазы, то есть скорость адсорбции равна скорости
десорбции, говорят об адсорбционном равновесии. Применяемые в быту
адсорбенты должны иметь скорость адсорбции значительно высшую, чем скорость
десорбции (при прочих равных условиях). [1. c. 4]
Примерами современных адсорбентов могу служить активированный уголь
(чёрный уголь), силикагель (высушенное соединение оксида кремния (IV) и воды,
записываемое в виде SiO2*H2O, или H2SiO3), алюмогель (студенистый осадок,
образующийся при быстром осаждении гидроксида алюминия Al(OH)3 из солевых
растворов), энтеросгель (полигидрат полиметилсилоксана – соединение кремния,
метила CH3 и воды), цеолиты (водные алюмосиликаты кальция и натрия –
соединения, содержащие натрий или кальций в качестве катионов и алюминий
вместе с кремнием в качестве анионов) и иониты (твердые нерастворимые вещества,
способные обменивать свои ионы на ионы из окружающего их раствора. Обычно
это синтетические органические смолы, имеющие кислотные или щелочные
группы). [2]
Все перечисленные выше вещества хорошо поглощают жидкие или
газообразные вещества из окружающей среды за счёт очень высокой удельной
поверхности, то есть площадью поверхности, в среднем приходящуюся на единицу
массы.
Для исследования процесса адсорбции нами были выбраны чёрный
(активированный) и белый угли.
Активированный
уголь,
также
называемый чёрным углём, - это пористое
вещество, которое получают из различных
углеродосодержащих материалов. Содержит
огромное количество пор и поэтому имеет
очень
большую удельную
поверхность,
вследствие чего обладает высокой адсорбцией.
Производство чёрного угля состоит из
процесса
активации
–
при
высоких
температурах вскрытия пор, находящихся в
углеродном материале в закрытом состоянии.
[3, c. 311]
«Белый уголь» - это коммерческое название, которое препарат получил по
аналогии с черным активированным углём, сорбционные свойства которого хорошо
известны. Основной компонент в составе белого угля — диоксид кремния SiO2 с
размером частиц 7-10 нм.[4]
Таким образом основное отличие белого угля от чёрного состоит в различном
химическом составе. При прочтении информации, содержащейся в инструкции по
применению белого угля, можно сказать, что при равном объёме и одинаковой
форме, то есть одинаковой площади поверхности, белый уголь обладает лучшей
адсорбцией. Мы решили проверить, белый или чёрный уголь, истолчённый в
порошок, обладает лучшей адсорбцией при одинаковой массе.
Экспериментальная часть
Экспериментальная часть нашей работы состояла из трёх блоков.
Первая часть заключалась в визуальной оценке скорости адсорбции лакмуса.
Визуальная оценка скорости адсорбции лакмуса заключается в проведении
эксперимента поглощения пигмента белым или чёрным углём и сравнении
результатов поглощения пигмента.
Для этого мы взяли 1 грамм чёрного угля и 1
грамм белого угля и поместили по отдельности в
два раствора лакмуса. Через двенадцать часов мы
сравнивали цвета двух растворов друг с другом и с
исходным
раствором.
За
счёт
большего
поглощения пигмента лакмуса чёрным углём
раствор лакмуса, содержащий в себе 1 грамм
чёрного угля, изменил свой цвет сильнее, чем
раствор, содержащий 1 грамм белого угля. На
этом основании были сделаны выводы о том, что
при равной массе и форме чёрный уголь
эффективнее адсорбирует вещества, находящиеся в жидкой фазе.
Вторая часть заключалась в визуальной оценке скорости адсорбции бурого
газа.
Визуальная оценка скорости адсорбции бурого газа состоит из проведения
эксперимента поглощения бурого газа NO2, выделившегося в результате
химической реакции взаимодействия меди и азотной кислоты, поверхностью
чёрного или белого угля и сравнении результатов поглощения газа, обладающего
известным (бурым) цветом.
Для этого мы взяли по 1 грамму чёрного и белого углей и подвесили их к
пробке двух одинаковых сосудов. Предварительно в сосуды насыпали одинаковую
навеску меди Cu и прилили одинаковое количество концентрированной азотной
кислоты HNO3. В сосудах происходила следующая реакция:
Cu + 4HNO3 конц. = Cu(NO3)2 + 2NO2↑ +2H2O.
В дальнейшем выделившийся бурый газ
NO2
был
частично
или
полностью
адсорбирован. Наблюдали результаты через
десять минут и через час. По изменению
цвета сосуда мы определили, что лучшими
сорбционными свойствами при одинаковой
массе и форме обладает чёрный уголь, так как
он поглотил большее количество бурого газа.
Третья часть заключалась в измерении
изменения степени адсорбции при изменении
исходной концентрации на примере уксусной
кислоты различной концентрации. [1, c.9-15]
Для этого мы приготовили десять растворов уксусной кислоты – пять из них
различной концентрации использовались с белым углём и такие же пять – с чёрным.
Для определения точной исходной концентрации мы титровали по пять
миллилитров каждого не одинакового раствора при помощи 0,1M гидроксида
натрия NaOH и индикатора фенолфталеина.
Титрование – метод количественного/массового анализа, основанный на
измерении объёма раствора реактива известной концентрации, расходуемого для
реакции с определяемым веществом.
Расчёт концентрации вели по формуле:
C(CH3COOH)=0,02V(NaOH).
Уравнение получено из следующей цепочки уравнений:
CH3COOH + NaOH → CH3COOHNa + H2O;
C = n/Vр-ра
C(NaOH) = 0,1моль/л = 0,1ммоль/мл
n(NaOH) = 0,1V(NaOH) [ммоль]
C(CH3COOH) = n(NaOH)/5мл = 0,1V(NaOH)/5моль = 0,02V(NaOH)[ммоль/мл =
= моль/л]
Где C – молярная концентрация (моль/л), n – количество вещества (моль),
V – объём (л).
Во все растворы мы поместили по 1 грамму
белого или чёрного угля и оставили на 2 часа, затем
отфильтровали. Повторно замеряли концентрацию
уксусной кислоты титрованием и рассчитали
концентрацию уксусной кислоты в каждом случае.
Затем рассчитали процент адсорбции в каждом
случае.
Результаты представили в виде таблицы и
графика. По результатам эксперимента получили, что
чёрный уголь поглотил большее количество кислоты. Помимо этого, был сделан
вывод об увеличении степени адсорбции при уменьшении исходной концентрации.
Выводы экспериментальной части
Сорбционные свойства увеличиваются при уменьшении исходной
концентрации.
При одинаковой массе сорбционные свойства чёрного угля значительно
превышают свойства белого. А значит, в случае отравления или при другой
необходимости, можно не переплачивать за новые лекарства, а использовать
проверенный временем активированный уголь.
Список литературы.
1. Изучение адсорбции уксусной кислоты на активированном угле:
методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплинам
«Поверхностные явления и дисперсные системы» и «Коллоидная химия», для
студентов ХТФ, ФТФ, ЭЛТИ, ИГНД. /Сост. Е.В.Михеева, В.Е.Катюхин. –Томск:
Изд-во Томского политехнического университета – 2009. –20с.
2. Жанабергенова Д. Р. Определение поглотительной способности наиболее
известных адсорбентов / Д. Р. Жанабергенова, Ю. О. Мещанинова // Молодой
ученый. — 2015. — №11. — С. 492-497.
3. Выродов В.А., Кислицын А.Н., Глухарева М.И. Технология лесохимических
производств. – М.: Лесная промышленность – 1987.
4. Продукция компании Omnifarma. Белый уголь. [Электронный ресурс]//
Режим доступа http://omnifarma.kiev.ua/products/belyj-ugol/ - 2014