V Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Адсорбция - неизвестное об известном
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
I. Введение
1. Актуальность работы. Я считаю, что на данный момент тема «Адсорбция» - поглощение вредного, опасного для жизни, имеет большое значение для человека - его жизни и деятельности. Ведь загрязнение окружающей среды очень пагубно влияет на природу, тем самым воздействуя на человека.
2. Объект исследования. Объектом моего исследования стал такой процесс как “ Адсорбция” и различные адсорбенты.
3. Гипотеза. Адсорбент спасает жизнь человека: очищая воду, воздух, почву, дыхательную систему и желудочно-кишечный тракт при отравлениях, а также выбросы в окружающую среду с химических предприятий, очистных сооружений. Используемые человеком различные адсорбенты обладают различными адсорбционными свойствами.
4. Цель исследования. Целью моего исследования является изучение процесса “Адсорбция”, её характеристик и свойств различных адсорбентов.
5. Задачи исследования. Изучить сущность процесса адсорбции, ее классификацию, механизм; сравнить вещества, обладающие высокой адсорбционной способностью; ознакомиться с использованием данного явления в быту и промышленности; изучить свойства отдельных адсорбентов.
6. Методы исследования.
а). Библиографический анализ литературы и материалов сети интернета.
б). Описание.
в). Наблюдения.
г). Сравнительный анализ.
д). Проведение лабораторного опыта.
е). Проведение учебно-исследовательского эксперимента.
ж). Анализ полученных результатов эксперимента.
з). Компьютерное моделирование.
и). Фотографирование.
7. Теоретическая значимость исследования.
Теоретические знания, приобретенные мною при работе над темой, могут пригодиться на уроках химии, биологии, ОБЖ, при поступлении в высшие учебные заведения, связанные с химией и биологией, также могут пригодиться при службе в армии и в повседневной моей жизни.
8. Практическая значимость исследования. Значимость исследовательской работы состоит в том, что она может быть использована для повышения образовательного уровня школьников, при изучении предметов химии, биологии, ОБЖ и подготовки к экзаменам при изучении темы адсорбция, а также в жизнедеятельности человека.
II. Основное содержание работы
1. Теоретическое изучение темы «Адсорбция»
1.1. Понятие адсорбция. Первые исторические сведения о процессе.
Адсо́рбция - (от лат. ad — на, при и sorbeo — поглощаю), поглощение газов, паров или жидкостей поверхностным слоем твердого тела (адсорбента) или жидкости.
Ирвинг Ленгмюр: Американский химик, лауреат Нобелевской премии по химии в 1932 году «за открытия и исследования в области химии поверхностных явлений» (Приложение 1)
Создатель изотермы адсорбции Ленгмюра и крупный исследователь в физико-химии поверхностным явлениям.
Родился 31 января 1881 г., Нью-Йорк, США.
Умер 16 августа 1957 г. (76 лет),
Награды: Нобелевская премия по химии.
В 1915 году русский учёный Николай Дмитриевич Зелинский разработал первый фильтрующий угольный противогаз (Приложение 2), который в 1916 году был принят на вооружение войсками Антанты. В качестве основного сорбирующего материала в нем впервые в истории использовался активированный уголь.
1.2. Виды адсорбции: физическая и химическая и их механизм. Адсорбция бывает 2-х видов: химическая и физическая.
Химическая адсорбция (так называемая хемосорбция). Хемосорбция представляет собой процесс поглощения поверхностью жидкого или твердого тела веществ из окружающей среды, сопровождающийся образованием химических соединений. При хемосорбции выделяется значительное количество теплоты. Обычно теплоты хемосорбции лежат в пределах 80 – 125 кДж/моль. Взаимодействие кислорода с металлами (окисление). При химической адсорбции молекула адсорбированного вещества реагирует химическими связями на поверхности адсорбента.
Физической адсорбции адсорбированные молекулы остаются стабильными, сохраняя свою индивидуальность. Адсорбированный слой связан с поверхностью слабыми межатомными связями. Теплота физической адсорбции, как правило, невелика и редко превосходит несколько десятков кДж/моль (~ 40 кДж/моль).
Процесс физической адсорбции обратим, относится к не активируемым, протекает очень быстро, как только молекулы адсорбента окажутся на поверхности твердого или жидкого тела.
1.3. Особенность процессов адсорбции.
Особенностью процессов адсорбции являются: избирательность и обратимость. Благодаря этой особенности процесса возможно поглощение из паро-газовых смесей или растворов одного или нескольких компонентов, а затем в других условиях, десорбирование их, т. е. выделение нужного компонента из твердой фазы в более или менее чистом виде.
1.4. Адсорбенты: их структура и применение.
Адсорбент должен обладать следующими основными свойствами:
1) необходимой селективностью;
2) отсутствием каталитической активности и химической инертностью к компонентам разделяемой смеси;
4) достаточной механической прочностью;
5) линейностью изотермы адсорбции;
6) быть доступным.
Адсорбенты применяют в противогазах, в качестве носителей катализаторов, для очистки газов, спиртов, масел, при переработке нефти, в медицине для поглощения газов и ядов.
Адсорбент, используемый в промышленности - это адсорбент с высокоразвитой поверхностью.
Адсорбция лежит в основе клинического анализа крови на СОЭ (Скорость Осаждения Эритроцитов). Так, при инфекционных заболеваниях в крови происходит обменная адсорбция: вместо ионов электролитов поверхность эритроцитов занимают молекулы белков. При этом заряд эритроцитов понижается и они быстрее объединяются и оседают.
Адсорбционная терапия применяется для удаления токсинов и вредных веществ из пищеварительного тракта. Такие адсорбенты, как гидроксид алюминия, оксид магния, фосфат алюминия, входят в состав препаратов алмагель, фосфалюгель. (Приложение 3)
Характерной особенностью твердых поверхностей является их пористость (отношение суммарного объема пор к общему объему адсорбента). Природа поверхности адсорбента, размеры и форма его пор влияют на адсорбцию, изменяют ее характеристики, т.е. механизм адсорбции.
Особенности адсорбции на поверхности твердых тел. Твердые поверхности в качестве адсорбентов используются для адсорбции газов или жидкостей, а адсорбционные процессы при этом протекают на границе раздела твердое тело - газ и твердое тело — жидкость. Твердые адсорбенты имеют поры различного размера.
1.5. Активированный уголь - его получение.
Активированный уголь – это максимально естественное и простое средство для очищения организма. (Приложение 4) Пористое вещество, которое получают из различных углеродосодержащих материалов органического происхождения: древесного угля, каменноугольного кокса, нефтяного кокса, скорлупы кокосовых орехов и других материалов. Содержит огромное количество пор и поэтому имеет очень большую удельную поверхность на единицу массы, вследствие чего обладает высокой адсорбционной способностью. В зависимости от технологии изготовления, 1 грамм активированного угля может иметь поверхность от 500 до 1500 м². Применяют в медицине и промышленности для очистки, разделения и извлечения различных веществ.
1.6. Практическое значение адсорбции.
Применение адсорбции для поглощения паров или газообразных веществ используется чаще всего для очистки воздуха. При этом сохраняют свое значение те же закономерности, которые были найдены для адсорбции из жидкой фазы, в частности зависимость между степенью адсорбции и диэлектрической проницаемостью. Так, вещества, поглощенные полярным адсорбентом, легко можно вытеснить парами воды или спирта.
Области применения адсорбции непрерывно расширяются, возникают новые технологические операции, основанные на адсорбции, В последние годы в результате разработки более совершенной аппаратуры и улучшения качества сорбентов созданы адсорбционные установки для облагораживания бензиновых фракций с целью получения моторных топлив с повышенным октановым числом. Эти установки по экономичности не только не уступают абсорбционным или ректификационным установкам, но в ряде случаев превосходят их.
При помощи различных твёрдых адсорбентов производится улавливание ценных паров и газов, осветление растворов в производстве сахаров, глюкозы, многих формацевтических препаратов, нефтепродуктов.
Адсорбцией извлекают малые количества веществ, растворенных в больших объёмах жидкости. Используются при крашении волокон, при обогащении полезных ископаемых. Ионообменная адсорбция нашла широкое применение в пищевой промышленности.
Адсорбцию из жидких растворов широко используют как метод очистки сточных вод для обезвреживания их от веществ, растворенных как в виде молекул, так и в виде ионов: красителей, пестицидов, гербицидов, фенолов, кислот, щелочей, солей, ПАВ и многих других.
Адсорбционные явления лежат в основе процессов крашения, стирки, хроматографии, гетерогенного катализа.
Использование различных адсорбентов при промышленном производстве пищевых продуктов позволяет осветлять растительные масла, вина, пиво; отбеливать сахарный сок.
В медицине − при лечении желудочных заболеваний, различного рода токсических отравлениях также активно протекают десорбционные процессы. Вкусовые ощущения человека связаны с адсорбцией пищевых веществ на определенных участках языка.
При помощи ионообменной адсорбции питаются растения, восстанавливается плодородие почв вносимыми удобрениями, умягчается и опресняется соленая вода, формируются вторичные рудные месторождения.
Адсорбенты применяют в:
1. противогазах;(Приложение 5)
2. в качестве носителей катализаторов; (Приложение 5)
3. для очистки газов, спиртов, масел, бензина; (Приложение 5)
4. для разделения спиртов; (Приложение 5)
5. при переработке нефти; (Приложение 5)
6. в медицине для поглощения газов и ядов. (Приложение 5)
2. Экспериментальная часть.
Все стаканы и пробирки пронумерованы от 1 до 3.Под №1 находится адсорбент Активированный уголь; под №2 – Полисорб МП (кремния диаксид коллоидный); под №3 – Энтеросгель (Полиметилсилоксана полигидрат). (Приложение 6)
2.1. Учебно-исследовательский эксперимент “ Поглощение запаха различными адсорбентами”.
Этот эксперимент был сделан для того, чтобы проверить, какие адсорбенты (которые можно купить в обычной аптеке) лучше справятся с устранением едкого запаха аммиака. В пронумерованные пробирки я распределил адсорбенты и залил аммиак. Но для того, чтобы это вещество не улетучилось, я закупорил горлышки пробирок ваткой. После определял, где запах уменьшился. Этот эксперимент показал, что лучшим устранителем запаха аммиака является активированный уголь (Приложение 7).
2.2. Учебно-исследовательский эксперимент “Обесцвечивание раствора йода различными адсорбентами ”.
Для этого эксперимента мне понадобилось: пронумерованные стаканчики; выбранные мной адсорбенты и раствор йода. С начала я приготовил р-р йода и разлил по стаканчикам. После погрузил адсорбенты и через полчаса наблюдал, что раствор в стаканчике №1 обесцветился, №2 - почти не изменился, №3 - чуть потускнел (Приложение 8). Лучшим адсорбентом вновь стал активированный уголь.
2.3. Учебно-исследовательский эксперимент “ Обесцвечивание раствора бриллиантового зеленого различными адсорбентами”.
В 3-м опыте я проверил действие адсорбентов на раствор бриллиантового зелёного. В первый и последующие стаканчики я погрузил адсорбенты. После 30 минут я наблюдал, что р-р с активированным углём почти полностью потерял цвет. Во втором же и третьем стаканчике цвет р-ра лишь немного потускнел (Приложение 9).Снова активированный уголь показал лучшие адсорбирующие свойства.
2.4. Учебно-исследовательский эксперимент “ Обесцвечивание раствора мандаринного сока различными адсорбентами”.
Для этого эксперимента мне понадобилось: пронумерованные стаканчики; различные адсорбенты и мандаринный сок. Для начала я выжал из мандарина сок и разместил по стаканчикам. После погрузил адсорбенты и через полчаса наблюдал, что сок в первом стаканчике обесцветился, во втором почти не изменил цвет, в третьем стал менее ярким (Приложение 10). Я вновь убедился, что активированный уголь - лучший адсорбент.
2.5. Учебно-исследовательский эксперимент “Обесцвечивание раствора свекольного сока различными адсорбентами ”.
С помощью этого опыта, я хотел узнать, как, выбранные мной адсорбенты, взаимодействуют с этим раствором. По пронумерованным стаканчикам я разлил разбавленный водой свекольный сок. Добавил адсорбенты. С течением получаса я заметил, что в стаканчике, где адсорбентом послужил активированный уголь, раствор сильно побледнел. Остальные же лишь чуть поменяли цвет (Приложение 11).
2.6. Выводы по результатам экспериментов.
При проведении учебно-исследовательских экспериментов я удостоверился, что лучшим адсорбентом является Активированный уголь.
Все остальные адсорбенты хуже справились с поставленными задачами.
III.Заключение и выводы по работе
Рассмотрел процесс адсорбции. Выяснил, что адсорбенты очень широко распространены в жизни человека и им широко применяются. Используются на заводах по переработке и очистки газов, спиртов, масел, бензина. Так же ещё применяют и в военном деле в качестве носителей катализаторов.
Адсорбция бывает 2-х видов: химическая и физическая.
Рассмотрел свойства и практическое значение адсорбции.
Выяснил, что представляют собой активированный уголь и другие адсорбенты, и для чего используются эти адсорбенты.
При проведении учебно-исследовательских экспериментов я удостоверился, что лучшим адсорбентом является Активированный уголь. Все остальные адсорбенты хуже справились с поставленными задачами.
IV.Источники
https://otvet.mail.ru/question/7079765 https://otvet.mail.ru/question/15655364
https://studfiles.net/preview/437941/
https://studfiles.net/preview/4300420/page:3/
http://studbooks.net/913850/ekologiya/oblast_primeneniya_adsorbtsionnoy_ochistki_promyshlennye_adsorbenty
http://poznayka.org/s71936t1.html
http://natyropat.ru/zdorove-dlya-vseh/aktivirovannyiy-ugol-lekarstvennyie-svoystva.html
http://xn--i1abbnckbmcl9fb.xn--p1ai/%D1%81%D1%82%D0%B0%D1%82%D1%8C%D0%B8/520245/
https://yandex.ru/images/search?text=заводы%20по%
П.А. Оржековский, В.Н. Давыдов, Н.А. Титов – «Творчество учащихся на практических занятиях по химии». АРКТИ, Москва, 1999г.
Химия. 9 класс: учебник / О.С. Габриелян. - 4-е изд., стереотип. - М.: Дрофа, 2016. - 319, [1] с.: ил.
Приложения:
Приложение 1
Американский химикИрвингЛенгмюр
Приложение 2
Русский учёный Николай Дмитриевич Зелинский
Приложение 3
Адсорбенты:
фосфалюгель
алмагель
Приложение 4
Активированный уголь
Приложение 5
Применение адсорбентов в:
противогазах
2) в качестве носителей катализаторов
3) для очистки газов, спиртов, масел, бензина
4)для разделения спиртов
5) при переработке нефти
6) в медицине для поглощения газов и ядов
Приложение 6
Приложение 7
Приложение 8
Приложение 9
Приложение 10
Приложение 11